СОДЕРЖАНИЕВ преддверии Шестого технологического уклада

Эффективное использование топливных ресурсов

Абсорбционные бромистолитиевые преобразователи теплоты (АБПТ)

Абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины (АБХМ)

Абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы (АБТН)

Установки вакуумно-термического упаривания сточных вод, отходов пищевых произ-водств и технологических жидкостей, а также опреснения морских вод

Мусор как топливо. Современная утилизация отходов

Проект строительства комплексной районной тепловой станции (КРТС) для сжигания твердых бытовых отходов (ТБО) для получения тепла и электроэнергии

Проект создания и производства опытно-промышленной электроплазменной установ-ки для обезвреживания и утилизации медицинских, больничных и биологических от-ходов с получением электроэнергии

Сжигание угля по-новому

Проект по использованию водо-угольной технологии. Водо-угольное топливо (ВУТ) Технология использования механоактивированных углей микропомола на объектах теплоэнергетики для замещения жидкого и газообразного топлива

Повышение энергоэффективности зданий. Энергоэффективныестроительные материалы для Сибири

Технология получения низкотемпературного керамзита с использованием нанодис-персного вяжущего

Разработки в области альтернативной энергетики

Газоструйный плазмохимический метод и возможности его практического применения

Новая технология производства тонкопленочных кремниевых солнечных модулей на гибких подложках

Новый газоструйный плазмохимический метод

Струйный плазмохимический метод в применении к GTL- технологии

Проект получения биотоплива и ценных химических продуктов наоснове биомассы мискантуса

2

04

05

07

09

11

14

15

16

20

21

22

26

27

30

31

33

34

35

38

1

Александр Люлько,

начальник департамента промышленности,инноваций и предпринимательства мэрии

города Новосибирска

Новосибирцы гордятся тем, что, благодаря своему научно-техническому потенциалу и достижениям сибирских уче-ных, наш город стал признанным научным центром, а разработки востребованы не только в России, но и за рубежом.

Сегодня интеллектуальный труд востребован как никогда. Высокий уровень науки – один из стратегических фак-торов развития страны в новых условиях, от укрепления научного потенциала России в решающей степени зависит успех ее экономических реформ. Мы по праву гордимся тем, что наши исследователи, ученые из институтов и акаде-мических университетов достойно представляют российскую научную школу на мировом уровне, являясь авторами множества исследований в самых разных областях человеческих знаний.

Анатолий Локоть,

Мэр Новосибирска

2

Блестящая российская наука способна преобразитьжизнь нашего города

Новосибирск заслуженно считается «интеллектуальной и промышленной столицей Сибири». Здесь сосредоточены ведущие академические институты, высшие учебные заведения, высокотехнологичные предприятия – огромный по-тенциал, способный стать мотором экономического развития нашего города в частности и Сибири в целом.

Собственно, наш город и невообразим без данного потенциала. Наука и промышленное производство – это те два столпа, на которых он вырос как третий по величине мегаполис страны. Поэтому в своем развитии Новосибирск может опираться только на интеллектуальные и производственные мощности.

По большому счету, судьба Новосибирска – быть лидером опережающего развития, быть поистине городом инно-ваций! Для достижения данной цели у нас есть вся необходимая инновационная база.

Не будем скрывать – пока еще инновационный потенциал не достаточно задействован на благо нашего города: на Новосибирск приходится ничтожное количество научных разработок наших ученых, внедренных в производство. Они внедряются, но… в США, Канаде, Западной Европе, Китае, других странах. Причин такого положения несколько.

Начнем с того, что львиная доля научных учреждений и предприятий в советские годы фактически существовала в закрытом режиме, работая на обороную промышленность. То есть изобретения на исключительно гражданской сфере жизни, на благоустройстве города не применялись. Люди ездили по плохим дорогам в морально устаревшем обще-ственном транспорте, даже не подозревая, что где-то рядом в научных лабораториях создается уникальный инноваци-онный продукт, который при желании можно было использовать для создания нового сверхсовременного скоростного транспорта, дорог с антигололедным покрытием, функциональной бытовой техники и т. д.

К сожалению, подобная инерция закрытости, идущая с советских времен, сохраняется по сей день. Поэтому до сих пор многие из нас даже не могут вообразить масштабы проводимых в нашем городе научных исследований! И это несмотря на то, что мы с полным основанием можем говорить о существовании новосибирской научной школы, имею-щей мировую известность! Но, увы, от простых людей данные реалии далеки. И чем меньше конкретный труд ученых воплощается в полезные и понятные гражданам результаты, тем меньше они осознают роль науки в жизни страны в общем и конкретно – в жизни нашего города.

Задачи муниципалитета, которые мы ставим перед собой, – найти полезные для города научные разработки, а затем создать условия для их внедрения в промышленность и городское хозяйство Новосибирска, выступить в роли координатора процесса внедрения.

Нужно отметить, что трудности с внедрением инновационных разработок во многом связаны еще и с тем, что в 1990-е годы были ликвидированы отраслевые институты – своего рода промежуточное звено между исследователь-скими институтами и предприятиями. Это и еще одна из причин, по которой инновационные разработки наших ученых находят за рубежом лучшее применение, чем в собственной стране. Поэтому наша главная задача – найти современные эффективные механизмы внедрения инноваций. Старые инструменты уже не восстановить, тем более что в условиях рынка они не будут работать так же эффективно, как прежде. Новые инструменты еще не созданы, но мы стараемся идти в этом направлении.

Предлагаемый вашему вниманию сборник как раз отражает нашу попытку создать такой механизм. Первый выпуск (а их будет несколько) мы посвятили вопросам энергоэффективности и альтернативной энергетики. Почему? На се-годняшний день – это одно из самых главных направлений развития наукоемкой промышленности, сулящее серьезные перемены всему населению планеты. И нам важно показать разработки новосибирских ученых, уровень которых, без всяких преувеличений, самый передовой в мире. Эти разработки ждут своего применения в родной стране, в родном городе. Уверен, блестящая российская наука способна преобразить жизнь нашего города.

Надеемся, что сборник «Инновационные разработки новосибирских ученых» станет мостом, связывающим ученых с промышленниками и предпринимателями, готовыми внедрять научные разработки на благо жителей Новосибирска.

3

Современное развитие мировой энергетики характе-ризуется значительно возросшей стоимостью энерго-носителей и всех видов природных ресурсов, а также постоянно увеличивающимися трудностями охраны окружающей среды от воздействия электро-теплоге-нерирующих установок и промышленных предприятий.

В последнее десятилетие во всем мире остро стоит вопрос экономии ископаемых топлив в связи с исто-щением их запасов. Это обусловлено увеличением энергоемкости производств, связанным с естествен-ным приростом населения Земли и повышениями тре-бований к условиям его комфортного жизнеобеспече-ния. Не менее актуальной проблемой является выброс парниковых газов, являющихся продуктами сгорания топлива, в атмосферу.

Сегодня все передовые страны делают ставку на энергоэффективность и энергосбережение с одновре-менным снижением теплового загрязнения окружаю-щей среды парниковыми газами, и, Россия – не исклю-чение в этом отношении.

Пожалуй, это является главным трендом современ-ности, одним из условий вхождения в Шестой техноло-гический уклад. Чтобы выиграть в глобальной конку-ренции, необходимо идти в русле научно-технического прогресса. Прогресс же, как было сказано, идет в на-правлении экономии энергоресурсов.

Самым впечатляющим для нас фактом является то, что отечественные разработчики идут здесь в ногу со временем. В плане научных исследовательских и опыт-но-конструкторских работ (НИОКР) мы практически не уступаем развитым странам, а в некоторых вопросах даже их опережаем. Наши ученые и инженеры в со-стоянии предложить энергоемким предприятиям свои передовые разработки и современные технические ре-шения, способные вывести их на новый уровень раз-вития. Тем самым мы сможем преодолеть свое техно-логическое отставание от развитых стран, которое из года в год становится все более и более ощутимым.

Бесспорным лидером в вопросах энергосбережения является организация – ООО «ОКБ Теплосибмаш», ко-торое под научным руководством Института теплофи-зики СО РАН им. С.С. Кутателадзе осуществляет весь комплекс работ по разработке, организации производ-ства, поставке, пуско-наладочным работам, гарантий-ному и сервисному обслуживанию уникального энер-гетического оборудования. Созданное оборудование, с одной стороны, не имеет отечественных аналогов, а с другой – не уступает зарубежным.

Основными видами продукции «ОКБ Теплосибмаш» являются:

• Абсорбционные бромистолитиевые преобразовате-ли теплоты (АБПТ)

• Установки вакуумно-термического упаривания раз-личных жидкостей.

Эффективное использование топливных ресурсов

4

АБПТ, иначе называемые абсорбционными бро-мистолитиевыми термотрансформаторами (АБТТ), де-лятся, в свою очередь, на 2 основных класса:

• Абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины (АБХМ)

• Абсорбционные бромистолитиевые тепловые насо-сы (АБТН).

АБХМ предназначены для охлаждения воды и других сред до температур не ниже 3 °С, а АБТН – для утили-зации низкопотенциальной теплоты (водооборотных систем предприятий, конденсаторов турбин, сточных вод и др.) и переноса ее на более высокий температур-ный уровень, пригодный для нужд, например, воздуш-ного отопления, горячего водоснабжения (ГВС) или технологических нужд.

Принцип действия АБПТ основан на способности во-дного раствора бромида лития (LiBr) поглощать (абсор-бировать) водяной пар, имеющий более низкую темпе-ратуру и, за счет этого, переводить теплоту на более высокий температурный уровень, достаточный для его отвода в атмосферу (АБХМ) или для нужд потребите-ля (АБТН). Процессы в аппаратах АБПТ происходят при глубоком разрежении. Например, в испарителе, при температуре кипения (пленочного испарения) воды равной 3 °С, давление равно 760 Па (5-6 мм. рт. ст).

Еще одним общим свойством АБХМ и АБТН является то, что они работают от тепловой энергии, а не от элек-трической, как например фреоновые или аммиачные парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ) или тепловые насосы (ПКТН). К тому же повышение тарифов на электроэнергию, ограничение применения многих хладонов (фреонов) в соответствии с Монре-альским и Киотским протоколами ввиду их опасности для окружающей среды, а также токсичность аммиа-ка, ограничивают применение указанных типов машин. Эти ограничения не затрагивают АБПТ.

Тепловая энергия, используемая в АБПТ, может быть первичной (природный газ, мазут, биогаз) и вторичной (отработанный пар или горячая вода технологических процессов, а также тепло уходящих дымовых газов). Вторичная теплота иначе называется вторичными энер-горесурсами – ВЭР. Ее использование является важным экономическим аспектом при использовании АБПТ.

Процессы в АБПТ протекают по замкнутому циклу: хладагент орошает наружную поверхность труб испа-рителя (1), к которому подводится теплота охлаждае-мой жидкости, поступающей в трубное пространство.

При этом происходит испарение воды из хладагента. Для орошения труб испарителя применяется циркуля-ционный насос хладагента (6).В абсорбере (2) водяные пары поглощаются крепким (или концентрированным) раствором LiBr, поступающим через рекуперативный теплообменник (5) из генератора (3). В результате по-глощения выделяется теплота растворения, отводи-мая посредством охлаждающей (нагреваемой) воды, которая после абсорбера (2) поступает в конденсатор (4). Охлаждающая вода циркулирует в трубном про-странстве данных аппаратов. Слабый (разбавленный в результате абсорбции) раствор через рекуперативный теплообменник (5) поступает в генератор (3), где вос-станавливает свою поглощающую способность в про-цессе кипения за счет подвода тепла греющего пара. Водяной пар из генератора (3) поступает в конденса-тор (4), где конденсируется, и конденсат водяного пара возвращается в испаритель (1). Теплота конденсации отводится охлаждающей водой, которая поступает из абсорбера (2). Теплота абсорбции и конденсации от-водится в атмосферу или используется для нужд по-требителя. Поддержание вакуума в АБПТ производится газоотделителем (8) и вакуумным насосом (9).

Впервые в России в ООО «ОКБ Теплосибмаш» разра-ботан типоряд энергосберегающих высокоэффектив-ных АБПТ нового поколения холодопроизводительно-стью от 200 до 6000 кВт, позволяющих осуществлять глубокую утилизацию сбросного или природного тепла, давая возможность (в зависимости от потреб-ностей) экономить топливо или вырабатывать холод. Разработанные машины отечественного производства не уступают зарубежным аналогам. Более того, они проектируются под конкретный объект и потребности заказчика, с учетом его пожеланий и возможностей. Приобретая такую технику, заказчик получает одно-временно еще и качественный сервис, осуществляе-мый ООО «ОКБ Теплосибмаш».

АБПТ обладают рядом привлекательных потреби-тельских свойств, которые дают преимущества в срав-нении с парокомпрессионной техникой. А именно:

• экономия электроэнергии;• низкие капитальные затраты;• низкие эксплуатационные затраты;• пожаро- и взрывобезопасность;• экологическая чистота;• высокая надежность;• низкий уровень шума;• срок службы не менее 25 лет;• отсутствие вибродинамических воздействий

на фундамент.

Абсорбционные бромистолитиевые преобразователи теплоты (АБПТ)

5

В сравнении с зарубежными образцами, АБПТ ООО «ОКБ Теплосибмаш» обладают очевидными преимуще-ствами для отечественного потребителя. В частности, потребитель получает возможность поставки машины больших единичных мощностей оборудования (до 5,33 МВт), а также сборки их на объекте. Далее, здесь имеет место гибкая система проектирования, сопровождение при монтаже и наладке. И еще одно преимущество: ду-блирование автоматической системы управления руч-ной системой (для аварийных ситуаций).

– хладагент (вода)

– хладагент (пар)

– крепкий раствор LiBr

– слабый раствор LiBr

– охлаждаемая вода

– греющий пар

– неконденсирующиеся газы

– охлаждаемая (нагреваемая) вода

Рисунок 1 – Схема принципиальная простейшего АБПТ с паровым обогревом:1 – испаритель; 2 – абсорбер; 3 – генератор; 4 – конденсатор; 5 – теплообменник рекуперативный; 6 – насос хладагента;7 – насос растворный; 8 – газоотделитель; 9 – насос ва-куумный.

На рис. 1 представлена схема простейшего АБПТ с паро-вым обогревом и одноступенчатой регенерацией раство-ра. На схеме приведены номинальные значения рабочих температур для холодильных машин – АБХМ и тепловых насосов – АБТН (в скобках).

АБПТ опробованы в работе и показали себя с хоро-шей стороны. При растущем спросе на подобную про-дукцию появляется возможность организации в Ново-сибирске первого в стране предприятия по серийному производству абсорбционной техники. Такой вариант уже рассматривается разработчиками, с технической стороны проект полностью готов к реализации. Слово – за инвесторами.

6

Абсорбционные бромистолитиевые холодильные машины (АБХМ)

Генерация так называемого «плюсового» холода (выше 0 °С) является важной научно-практической зада-чей в ряде технических приложений. Такой холод нужен для хранения продуктов, для создания благоприятного микроклимата в помещениях, для определенных произ-водственных процессов. Невозможно представить себе нормальное кафе, магазин, гостиницу или бизнес-центр без кондиционеров и холодильников. Современные па-раметры комфорта и потребность в хранении продуктов так или иначе требуют производства холода. Таким об-разом из года в год потребность в искусственном холоде увеличивается как в России, так и за рубежом.

На сегодняшний день существует два основных типа водоохлаждающих холодильных машин – ПКХМ и АБХМ. Первый тип нам хорошо известен – так устроены наши бытовые холодильники, работающие от электро-сети. Работа подобных машин основана на изменении агрегатных состояний холодильного агента – хладона (фреона) – под воздействием механической энергии. Для превращения электрической энергии в механиче-скую здесь, как мы знаем, используются компрессоры.

Что касается холодильных машин второго типа (АБХМ), то для своей работы, как было сказано выше, они используют тепловую энергию, а не электриче-скую. Греющими источниками для таких машин могут служить и обычные энергоресурсы – газ или мазут, но также можно использовать пар из котельных, проме-жуточные отборы ТЭЦ, горячую воду, дымовые газы или отходящие пары производств. АБХМ в состоянии найти широкое применение как в быту, так и в хозяй-ственной деятельности. Спектр их применения до-статочно широк – от металлургических предприятий, атомных электростанций, нефтехимических комбина-тов – до тепличных хозяйств, многоквартирных домов, торговых центров и прочих общественных зданий, где требуется создать комфортный микроклимат.

По утверждению разработчиков, уже сейчас имеется возможность получать не только положительные, но и отрицательные температуры охлажденной жидкости благодаря установке АБХМ в специальном исполнении или каскадной установке серийно выпускаемых АБХМ.

Рисунок 2 –АБХМ в составе завода по производству минеральной воды (а) и тепличного комбината (б).

7

Области применения АБХМ:

Атомная электростанцияНефтехимический комбинатМеталлургический комбинат

Общественное здание

Торгово-развлекательныйцентр

Тепличное хозяйство

Пищевое производство Химическое производство

Система тригенерации

8

Абсорбционные бромистолитиевые тепловые насосы (АБТН)

Основное предназначение АБТН – нагрев воды до 50-90 °С, где в качестве источника теплоты использу-ется, с одной стороны, греющий пар с давлением до 0,75 Мпа или топливо в виде природного газа. С другой стороны - низкопотенциальная сбросная или природ-ная теплота от различных источников. В данном случае речь идет как о техногенной теплоте, выбрасываемой в окружающую среду через градирни, технические водо-емы и др., так и о геотермальных водах. При этом при-родный источник заслуживает не меньшего внимания, чем техногенный, поскольку на территории России до-статочно много регионов, где имеется геотермальная энергия низкого потенциала, которую можно эффек-тивно использовать с помощью тепловых насосов ука-занного типа.

Доля дешевой низкопотенциальной теплоты, ис-пользуемой в АБТН для выработки полезного тепла, составляет около 40%. Данный показатель определяет уровень экономии топлива.

Еще одним из перспективных видов низкопотенци-ального тепла является теплота уходящих дымовых газов. Дело в том, что в настоящее время миллиарды гигакалорий (Гкал) произведенной тепловой энергии становятся невостребованными для полезного исполь-

зования и просто-напросто выбрасываются в окру-жающую среду. Как правило, при сжигании топлива в обычных котлах высокотемпературная часть выра-батываемого тепла используется для нагрева воды (в целях теплоснабжения или выработки электричества). Однако при этом на «хвосте» остаются влажные про-дукты сжигания топлива с температурой 120-200 °С, которые через дымовую трубу рассеиваются в атмос-фере. При этом, как нетрудно догадаться, окружающая среда подвергается химическому и тепловому «загряз-нению». Кроме того, в атмосферу выбрасывается мно-го водяного пара, образующегося при сжигании то-плива. Он перемещается с так называемым дутьевым воздухом, содержащим (кроме паров воды) кислород, необходимый для сжигания топлива, а также инертный газ азот. По этой причине при горении топлива образу-ются вредные окислы азота. С помощью АБТН эти от-ходы можно превратить в полезный продукт, получив заметную экономию топлива.

Тепловые насосы позволяют добиться охлаждения сбросных продуктов сжигания до температур 40-45 °С и конденсации водяного пара - с утилизацией теплоты, что заметно повысило бы выработку тепла без увели-чения расхода топлива (т.е. повысило бы КПД котлов).

Рисунок 4 – Теплонасосная установка мощностью 7 000 кВт, установленная в тепличном комплексе (Краснодарский край). Состоит из двух тепловых насосов АБТН-600Т с газовой топкой

Атомная электростанция

Общественное здание

9

Глубокая утилизация продуктов сгорания теплоге-нерирующих установок (в частности котлов) обеспе-чивается при их охлаждении ниже температуры точки росы, которая для продуктов сгорания природного газа составляет 50–55 °С. При этом происходят конденса-ция водяных паров (до 19–20 % объема или 12–13 % по массе) и утилизация физического тепла продуктов сгорания (около 40 % всего их теплосодержания) и те-

плоты парообразования. КПД котла в конденса-

ционном режиме составляет порядка 105 % по низшей теплотворности QPH.

АБТН является высокоэффективным энергосберега-ющим оборудованием для теплоснабжения различных объектов. Тепловые насосы – это основа энергосбере-жения (экономия топлива – до 50%). К 2020 г. вклад тепловых насосов в теплоснабжение в развитых стра-нах составит 75%!

Рисунок 5 – Схемы использования АБТН

10

Установки вакуумно-термического упаривания сточных вод, отходов пищевых производств и технологических

жидкостей, а также опреснения морских вод.

На сегодняшний день выпарные установки - еще одно перспективное направление, востребованное в современном производстве. Дело в том, что в кон-тексте рационального природопользования и охраны окружающей среды дистилляция морских и сильноза-соленных вод, кристаллизация ценных минеральных соединений из них, утилизация отходов пищевых и спиртовых производств, а также переработка техно-логических жидкостей и стоков являются ключевыми вопросами.

Так, на многих промышленных предприятиях России и за рубежом существует проблема переработки сточ-ных вод после различных производств. В частности, на металлургических, химических, машиностроительных производствах образуются сточные воды с содержа-нием различных солей.

В настоящее время такие сточные воды запрещается сбрасывать в природные водоемы т.к. это приводит к их химическому и биологическому загрязнению. Соот-ветственно, появляется необходимость в переработке этих стоков.

Помимо данной необходимости, существует высо-кая потребность в совместном получении морских со-лей и дистиллята питьевого качества из морской воды.

Для решения указанных задач применяются разные технологии, однако наиболее твердую нишу занимает здесь термическая дистилляция. Она является само-достаточной технологией, хотя в некоторых случаях выступает как неотъемлемая часть другой технологии - обратного осмоса.

Данная технология применяется в установках для получения обессоленной воды и переработке стоков. Сюда относятся (в частности) вакуум-выпарные уста-новки переработки солесодержащих сточных вод, которые позволяют эффективно решать задачи со-кращения (ликвидации) сточных вод и снижения во-допотребления за счет использования получаемого дистиллята на предприятиях различных отраслей про-мышленности (химической, металлургической, пище-вой, машиностроительной и др.).

Упаривание исходного солевого раствора произво-дится в многоступенчатых пленочных испарителях (в испарителях с падающей пленкой жидкости). Греющая среда из внешнего источника используется только в первой испарительной ступени установки, а каждая последующая ступень обогревается вторичным паром, образующимся в предыдущей ступени (рис. 6).

Рисунок 6 – Схема принципиальная многоступенчатой термодистилляционной установки.

11

Установка работает под разрежением (вакуумом), при температурах кипения упариваемого раствора в диапазоне от 90 до 45 °С по испарительным ступеням.

Применение пленочных испарителей в данных уста-новках позволяют получить ряд существенных преиму-ществ по сравнению с аналогами, а именно - низкие удельные расходы внешних теплоносителей и электро-энергии и относительно малой металлоемкостью, по-зволяющей снизить стоимость установки и затраты на строительно-монтажные работы.

«ОКБ Теплосибмаш» реализовало уже несколько проектов применения вакуум-выпарных установок.

В феврале 2008 г., в цехе по производству прово-локи и метизов сталепрокатного производства Запад-но-сибирского металлургического комбината введен в эксплуатацию комплекс по очистке сточных вод. Уста-

новка упаривания концентрированных сточных вод производительностью до 1 т/ч сточных вод, созданная на базе вертикальнотрубных пленочных испарителей, обеспечивает концентрирование солевого раствора с начальной концентрацией 25-40 г/л до состояния на-сыщения по солям, с концентрацией 300 г/л и выше и последующую кристаллизацию солей. Получаемый дистиллят содержит не более 15 мг/л солей.

В сентябре 2014 г в Красноярском крае на одном из предприятий по переработке древесины успешно запу-щена установка по утилизации жидких отходов вывар-ки древесного экстракта, производительностью до 7 т/ч исходной жидкости.

Данная установка оснащена современными сред-ствами управления и диспетчеризации, с применени-ем программируемых логических контроллеров (PLC – programmable logic controller).

Рисунок 7 – Установка по утилизации жидких отходов выварки древесного экстракта.

12

Рисунок 8 – Мнемосхема установки по утилизации жидких отходов выварки древесного экстракта.

КОНТАКТЫ ДЛЯ ЗАКАЗЧИКОВ И ИНВЕСТОРОВ:

ООО «ОКБ Теплосибмаш»630090, г. Новосибирск, пр. Лаврентьева, 1

Тел/(факс): +7 (383) 333 10 97, 316 50 43www.teplosibmash.ru,

E-mail: info@teplosibmash.ru,

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАНг. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1

Тел.: +7 (383) 330 70 50 Факс: +7 (383) 330 84 80 www.itp.nsc.ru,

E-mail: aleks@itp.nsc.ru 13

Мусор как топливо.Современная утилизация отходов

Экологи вполне справедливо считают мусор од-ним из главных проклятий современной цивилизации. Согласно подсчетам, за год каждый житель планеты оставляет после себя в среднем до 250 кг бытовых отходов. Только бытовых. А есть еще отходы сельско-хозяйственные, промышленные, медицинские. Вокруг городов ширятся полигоны с накопившимися отхода-ми, которые медленно тлеют, выделяя в воздух ядови-тые вещества и отравляя почву.

Уже не одно десятилетие в развитых странах ставят-ся вопросы относительно утилизации скапливающегося мусора. И надо сказать, что теперь отходы не воспри-нимаются как неизбежное зло. Бытовые отходы - это возобновляемый ресурс, который можно использовать и как источник энергии, и как источник сырья для стро-ительных материалов. Таким образом, речь идет не про-

сто о том, чтобы «очистить» планету от некой «заразы», а чтобы получить настоящую выгоду, какую мы извлека-ем из традиционных природных ресурсов.

Изменение самого ракурса в данном случае является принципиальным условием, ибо благодаря ему утили-зация и переработка мусора становится привлекатель-ной для бизнеса, для потенциальных инвесторов. Иначе говоря, данное направление перестает восприниматься как нечто затратное и заранее убыточное. Следователь-но, на такие разработки может появиться реальный спрос и они могут быть востребованы на рынке.

На сегодняшний день Институт теплофизики СО РАН предлагает свои собственные разработки, связанные с эффективной утилизацией отходов. Ниже мы приво-дим их описание.

14

Проект строительства комплексной районной тепловой станции (КРТС) для сжигания твердых бытовых отходов

(ТБО) для получения тепла и электроэнергии

Участники проекта: Институт теплофизики СО РАН, ООО «ЭККО», ВНИПИЭТ, ООО «ОТ», ЗАО «КОТЭС», Пра-вительство Новосибирской области

Краткое описание проекта, его цели и задачи:

КРТС предназначены для теплоутилизации твердых бытовых отходов методом сжигания в барабанных вра-щающихся печах при температуре до 1000 °С с резуль-тативной выработкой кондиционной тепловой энергии в виде горячей воды для подачи в системы отопления и электроэнергии.

Специально отметим, что в 2012 году Росприрод-надзор признал сжигание ТБО лучшей для России тех-нологией по утилизации мусора! Такие выводы были сделаны на основании изучения соответствующего за-рубежного опыта. Так, в странах ЕС на всех заводах, связанных с переработкой мусора, используемая энер-гия (в виде электричества, тепла или технологического пара) получается из самих отходов. Заводы по терми-

ческой утилизации эксплуатируются энергетическими компаниями. В настоящее время в Европе количество мусоросжигающих заводов переваливает за четыре сотни. В Японии существует 1 900 установок по терми-ческой переработке ТБО, которые позволяют утилизи-ровать 75% мусора. В США термическая переработка ТБО дает около 50 ТВт-ч полезной энергии. Китай к 2007 году довел долю термической переработки ТБО до 14 млн тонн в год, заняв по количеству сжигаемых отходов четвертое место после Европы, Японии и США. В 2012 году в Китае количество мусоросжигающих за-водов достигло сотни, тогда как в 2007 году их было еще шестьдесят шесть. Термическая переработка му-сора хорошо развивается в Корее, Тайване, Сингапуре.

К настоящему времени в мире действует уже 2 500 мусоросжигающих заводов, утилизирующих в год 200 млн тонн отходов, вырабатывая при этом 130 ТВт-ч электроэнергии. Иначе говоря, термическая утилиза-ция ТБО – это весьма полезная инновация, способная не только решить экологические проблемы крупных

Рисунок 9 – Схема работы КРТС

15

городов, но и дать дополнительный энергетический ресурс.

Технические характеристики КРТС:Производительность – 80 тыс. т ТБО/годПроизводство эл. энергии – 5 МВт/чПроизводство тепла – 20 Гкал/ч

Ресурсное обеспечение: Технический проект КРТС выполнен коллективом но-

восибирских разработчиков в 1994-1998 гг.: Бердский филиал Московского Института «Техэнергохимпром», ВНИПИЭТ. Участниками коллектива разработаны: тех-нология термообезвреживания ТБО и др. отходов, ог-нетехническое оборудование, технологии утилизации твердых остатков, технология и оборудование для мо-крой очистки и химического обезвреживания дымовых газов, технология утилизации низкопотенциального тепла на основе технологии абсорбционных бромисто-литиевых термотрансформаторов, технологический регламент мусоросжигательного цеха КРТС и т.д.

Отметим, что представленный здесь проект КРТС получил положительные заключения государствен-ных экспертиз в Госсанэпиднадзоре и Госкомэкологии Новосибирской области, прошел экспертизу Новоси-бирской территориальной государственной вневедом-ственной строительно-технической экспертизы.

Механизм реализации: Проект выполняется ООО «ЭККО» с научно-техни-

ческим и технико-экономическим сопровождением ИТ

СО РАН, ВНИПИЭТ, ООО «ОТ» при поддержке Прави-тельства НСО и наличии инвестора.

Проект решает сразу несколько задач:Социальная - защита населения от вредных воз-действий антропогенных и техногенных отходов, создание новых рабочих мест;Экологическая – уничтожение ТБО;Энергетическая – выработка дополнительной те-пловой и электрической энергии для города;Экономическая – производство строительных ма-териалов.

Объем требуемого внешнего финансирования:Стоимость строительства 1 завода производитель-

ностью 80 тыс./т ТБО в год -12 млн. долларов (в ценах 2008 г.).

Прогноз объема продаж и прибылей: Годовые эксплуатационные затраты 2 млн. долла-

ров/1 заводОжидаемый годовой доход - 4 млн. долларов/1 завод

Возврат инвестиций: 6 лет

Данная разработка была награждена в 2009 году почетным знаком 10-го юбилейного международного форума «Высокие технологии XXI века» - бронзовой статуэткой «Святой Георгий».

16

Проект создания и производства опытно-промышленной электроплазменной установки для обезвреживания и

утилизации медицинских, больничных и биологических отходов с получением электроэнергии

Участники проекта: Институт теплофизики СО РАН, ОАО «Сибэлектротерм», ИТПМ СО РАН, ООО «ОТ», НГТУ

На сегодняшний день технология плазменной пере-работки отходов считается очень перспективным на-правлением. За счет высоких температур, возникающих с помощью плазмы в зоне реактора (1500 – 1600 °С) происходит газификация твердых органических ве-ществ. Полученный газ по-научному называют «син-тез-газом», который сам по себе является неплохим топливом. Обычно бытовые отходы на 85–90 % состо-ят из органики, которая и превращается в синтез-газ. Остальная, неорганическая часть идет в расплав, пред-ставляя собой (в расплавленном виде) тягучую жид-кую массу. Расплав поступает на грануляцию, высту-пая уже в качестве сырья для получения строительных материалов. Синтез-газ после предварительной обра-ботки и очистки может использоваться для получения тепла и электроэнергии.

Данная схема утилизации отходов была специально разработана специалистами Института теплофизики СО РАН, над чем они работают уже около двадцати лет, предложив здесь оригинальный комплексный подход, рассмотрев весь цикл переработки, вплоть до конечно-го применения полученного сырья. При этом расчеты были сделаны для разных видов мусора. Установки по-добного типа, считают разработчики, очень удобно ис-пользовать для утилизации муниципальных отходов.

Во главу угла разработчики ставят утилизацию ме-дицинских отходов.

По данным официальной статистики, на 1 чел. при-ходится в год 21 кг медицинских отходов.

Медицинские отходы подлежат обязательной пе-реработке. Они значительно отличаются от остальных отходов и требуют особого внимания. В Новосибирске отсутствует надежная технология обезвреживания ме-дицинских отходов. Потребность г. Новосибирска – 5-6 установок.

Рисунок 10 – Схема работы плазменной установки с электродуговым плазмотроном

17

Цель проекта:

1. Создание демонстрационной установки высо-котемпературного обезвреживания, уничтожения и утилизации медицинских (МО) и других техногенных биологических отходов с оптимизацией электроте-плотехнических и газоочистных систем и выработкой электроэнергии.

2. Подготовка производства и производство новой конкурентоспособной техники в Новосибирске для ре-ализации в России и в других странах.

3. Улучшение экологической обстановки в регионе и, в результате, повышение качества жизни и здоровья населения.

Переработка отходов медицинских технологий в виде упаковок производится в плазменной электро-печи шахтного типа при температуре в реакционной зоне 1300-1700 °С. При этих температурах и времени воздействия порядка 2-3 секунд уничтожаются пато-генные микробы, вирусы и другие инфекционные но-сители.

Требуемые площади:

• для размещения установки - не менее 50 м2;• для склада МО - не менее 20 м2;• высота помещения - не менее 5 м.; • вид отходов – упакованные в полиэтиленовые меш-

ки и картонные ящики с весом не более 8 кг;• подача отходов – механическая система транспорта

от склада МО до печи с гидравлическим толкателем упаковок.

Обслуживающий персонал – 20 чел.

Основные технические параметры установки:

• Производительность по утилизации МО – от 50 до 200 кг/ч.

• Потребляемая мощность – не более 600 кВт.• Выходная (производимая мощность) – 900 кВт.

Размеры электропечи (м):• длина – 5 м.• ширина – 2 м.• высота – 3 м.

Преимущества технологии: По сравнению с известными методами обезврежива-

ния и утилизации медицинских отходов (химические и термохимические утилизаторы, огневое сжигание, сте-рилизаторы) плазменная технология обеспечивает наи-более полную деструкцию особо опасных отходов. Свя-зано это с высоким уровнем температур в реакционной зоне. Установка производит электроэнергию (на каждый потребляемый 1 кВт производится – 1,5 кВт).

Новизна: электроды, не имеющие аналогов по мощ-ности и сроку службы и конструкция плазменной элек-тропечи для уничтожения отходов запатентованы в России.

Экономический эффект: установка производит элек-

троэнергию; окупаемость 1 установки зависит от стои-мости уничтожения 1 т. медицинских отходов. Окупа-емость проекта – 5 лет, в зависимости от количества продаж установок в России и за рубеж.

Этапы работ и исполнители.

• разработка технической документации; • приобретение стандартного оборудования;• разработка и изготовление специального техноло-

гического оборудования;• сертификация и аккредитация;• техническое обучение персонала;• внедрение АСУП и САПР;• строительство демонстрационной установки;• производство установок в Новосибирске (ОАО

«Сибэлектротерм»);• оснащение мед. учреждений г. Новосибирска уста-

новками;• продажа установок в Корею, Канаду, Китай.

18

КОНТАКТЫ ДЛЯ ЗАКАЗЧИКОВ И ИНВЕСТОРОВ:

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН.Отдел Инноваций.

600090, РФ, г. Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 1Тел./факс: +7 (383) 335 65 46

Факс: +7 (383) 330 84 80E-mail: io@itp.nsc.ruu 19

Уголь рано списывать со счетов, особенно в Сиби-ри – так считают специалисты Института теплофизики СО РАН. Уголь – относительно дешевое топливо, и его запасов, по существующим оценкам, хватит еще на два-три столетия. Вопрос только в том, чтобы использовать это топливо по-новому, на более высоком технологи-ческом уровне. В настоящее время в Институте тепло-физики СО РАН работают над новыми технологиями сжигания угля, которые могли бы существенно повы-сить КПД существующих теплоэлектростанций. Особен-но это касается объектов малой энергетики, где уголь, по словам специалистов, «сжигается просто ужасно». Внедрение новых технологий позволило бы осуще-ствить модернизацию отечественных энергосистем с наименьшими затратами. Мало того, объекты малой энергетики, работающие на газе или мазуте, могли бы отказаться от этого дорогого топлива в пользу угля.

Напомним, что преобладающее число угольных котлов используют так называемое «слоевое» сжига-ние угля. При этом в большинстве своем, как и во

всей России, котлы находятся в плохом состоянии. Удельная повреждаемость составляет 0,07-0,10 по-вреждений в год на одну котельную (средние данные по России). Они имеют КПД на уровне 40-50 %, и расходуют в два и более раз больше топлива, чем тре-буется по нормативу. Котельные не только не имеют систем автоматического управления технологическим процессом, но и не оснащены элементарными сред-ствами механизации – в них используется ручной труд. Таким образом, современное тепловое хозяйство Рос-сии требует срочного ремонта и развития.

Естественно, что в этой ситуации приведение тепло-вого хозяйства в порядок будет закономерно сопро-вождаться привлечением новых технологий сжигания угля: высокоэффективных, энергосберегающих, эко-логообеспечивающих.

Ниже мы приводим описание соответствующих про-ектов от Института теплофизики СО РАН.

Сжигание угля по-новому

20

Проект по использованию водо-угольной технологии. Водо-угольное топливо (ВУТ)

Альтернативой традиционному слоевому сжиганию углей в котельных топках может служить использо-вание технологии сжигания угля в виде водоугольной суспензии.

Преимущества ВУТ:

• увеличивается степень выгорания горючей мас-сы до 95-99%, что намного превышает этот показа-тель при сжигании рядового угля в слоевой топке;

• возрастает КПД котлов до 80-85 %;• наряду с товарными марками для производства

ВУТ могут быть использованы угли низкого качества и отходы углеобогащения, которые в настоящее вре-мя имеют отрицательную цену и в огромных объ-емах выбрасываются в окружающее пространство, загрязняя его;

• упрощается автоматизация управления процес-сами сжигания угля в котлах;

• решается ряд экологических проблем, в част-ности, снижаются вредные выбросы оксидов азота, монооксида углерода, частиц летучей золы;

• исключается взрывопожароопасность.

При существующих обстоятельствах наиболее вос-требованной на применение водоугольных технологий является именно малая энергетика (отопительные ко-тельные, котлы производственного назначения, объек-ты ЖКХ), так как здесь меньше инвестиционные риски и капитальные затраты на реконструкцию, приемле-мые сроки окупаемости.

В течение последних нескольких лет совместными уси-лиями Института теплофизики СО РАН и ООО «Тепло-Пром» проработаны и реализованы в опытно-промыш-ленном варианте все основные компоненты модульной технологии подготовки, хранения и сжигания ВУТ приме-нительно к использованию в малой промэнергетике:

• организован мокрый помол угля на модернизи-рованной шаровой барабанной мельнице;

• разработан гидродинамический генератор кави-тации, позволяющий повысить дисперсность угля и увеличить химическую активность ВУТ;

• подобраны пластификаторы, позволяющие по-лучить высокореактивные пластичные ВУТ с концен-трацией угля порядка 60 %, сохраняющие устойчи-вое состояние свыше 30 дней;

• созданы специализированные топочные устройства, осуществляющие сжигание ВУТ в вихревом потоке;

• разработаны специальные распылительные устройства (форсунки) для ВУТ;

• создан вычислительный комплекс программ по расчету топочных процессов при сжигании ВУТ в мо-дернизированных котлах.

Примеры использования ВУТ в Новосибирской об-ласти:

В пос. Матвеевка на территории ООО «ТеплоПром» построены и испытаны на ВУТ из углей разных марок (Д, Г, антрацит) пилотные котельные установки мощ-ностью 1.5, 3 и 7 МВт (последняя на базе Бийского котла КЕ 10-14).

В пос. Мошково НСО при поддержке Правительства НСО переведен на ВУТ котел КЕ 10-14. Опытно-про-мышленные испытания котла на ВУТ из энергетических углей прошли успешно. Достигнут КПД котла на уровне 85-90 %.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о перспективности перевода котельных малой промэ-нергетики и ЖКХ на сжигание ВУТ.

Предложения от разработчиков:

• Совместными усилиями Минпромторга НСО, Ин-ститута теплофизики СО РАН, ООО «ТеплоПром» и др. (м. б., Института экономики СО РАН) выполнить анализ состояния ТХ НСО и выявить болевые точки.

• Сделать бизнес-план по переводу типичного кот-ла на ВУТ.

• Реализовать перевод одного или нескольких котлов по НСО на ВУТ.

• На основании полученных результатов разрабо-тать программу массового перевода на ВУТ котель-ных в разных районах НСО.

21

Технология использования механоактивированных углей микропомола на объектах теплоэнергетики для замещения жидкого и газообразного топлива

В Институте теплофизики СО РАН разрабатывается технология энергетического использования механо-активированных углей микропомола. Для отработки технологии разработаны и эксплуатируются крупно-масштабные стенды производительностью по топливу до 200 кг/час (стенд тепловой мощностью 1 МВт) и до 1000 кг/час (стенд тепловой мощностью 5 МВт) с си-стемами пылеприготовления механоактивированного микропомола угля до 10-40 мкм – виброцентробежны-ми мельницами и мельницами дезинтеграторного типа.

Области применения технологии.

Положительное влияние процесса механоактиваци-онного измельчения на эффективность их сжигания, впервые установленное в Институте теплофизики СО РАН, открывает широкие возможности для разработки и развития новых энергетических технологий их ис-пользования при:

• создании безмазутных систем розжига и подсветки пылеугольного факела в «большой» энергетике;

• замещении газомазутных топлив в объектах «ма-лой» энергетики;

• прямом сжиганиие микроуглей в газотурбинных установках.

Преимуществами механоактивированного микропо-мола угля являются:

• значительное увеличение химической активности пылевзвеси за счет механоактивации и увеличения по-верхности реагирования частиц;

• высокая интенсивность горения;• снижение температуры воспламенения;• снижение вредных выбросов.

Преимущества технологии.

Экспериментальными исследованиями и численны-ми расчетами установлено, что при механоактивиро-ванном микропомоле угля уменьшается его энергия активации, а это приводит к тому, что уголь приобре-тает новые химические свойства. В результате этого при горении пылеугольный факел по своим размерам, теплонапряженности и интенсивности выгорания при-

ближается к газомазутному факелу.

Необходимое оборудование для реализации техно-логии.

Использование технологии механоактивированного угля микропомола требует переоснащения котла/ко-тельной новыми технологическими узлами – оборудо-ванием микропомола и дополнительным оборудова-нием подвода и сжигания угля.

Для целей микропомола могут быть использова-ны 2 типа мельниц, разработанные и выпускаемые в России: виброцентробежные класса ВЦМ и дезинте-граторного типа ДМ с меньшими динамическими на-грузками. Диапазон производительности последних от 100 кг/час до 5 т/час, энергозатраты – 15-30 кВтч/т. Они позволяют регулировать ударно-истирающий ре-жим обработки и создавать нужную степень тонкости и структурной измененности минеральных веществ. По техническим характеристикам предпочтение может быть отдано мельницам дезинтеграторного типа, кото-рые позволяют снизить энергию активации до 2-3 раз по сравнению с виброцентробежными мельницами, что приводит к улучшению процессов горения. Однако выбор типа мельницы должен определяться конкрет-ными техническими и экономическими условиями.

Технические решения на дополнительное обору-дование (муфельный предтопок, узлы ввода уголь-ной пыли, разгонное устройство исходной топливной смеси, разгрузитель-отвеиватель топливной крупки, бункер-накопитель крупки и др.) в энергетической практике существуют, применительно к конкретным решениям потребуется только их модификация. Про-ектные организации и заводы-изготовители для выпу-ска дополнительного оборудования также имеются.

Эффективность технологии.

Экономическая эффективность технологии опреде-ляется разницей затрат замещаемого дорогого высо-кореакционного газомазутного топлива и более деше-вого угля и необходимых затрат на дополнительное оборудование подготовки и сжигания механоактивиро-ванного твердого топлива.

Эффективность и рынки в «большой» энергетике.

Под это понятие попадают пылеугольные котлы па-ропроизводительностью более 50 т пара/час и, пре-жде всего, котлы БКЗ-210 и БКЗ –420 (40-50 единиц)

22

Рисунок 11 - Экспериментальный Тепловой стенд 5 МВт ИТ СО РАНпод нагрузкой в автотермическом режиме

с мазутным розжигом, а также пылеуголные котлы с дизельным розжигом (порядка 40-50 котлов). Для это-го уголь после штатной мельницы нужно обработать на специальных мельницах-активаторах, и подать в специальные розжиговые горелки. Проведенная оцен-ка эффективности замещения высокореакционного топлива при розжиге и подсветке пылеугольного фа-кела на механоактивированный уголь микропомола на ряде пылеугольных котлов с мазутным и дизельным розжигом, использующих каменные и бурые угли, по-казывает, что дисконтированные сроки окупаемости новой технологии находятся в интервалах от 2 до 5-8 лет, что инвестиционно привлекательно.

Эффективность и рынки в «малой» энергетике.

Рынок в «малой» энергетике – обширный. Прежде всего, это газомазутные котлы ДКВР, КЕ, ДЕ, выпу-щенные Бийским и Дорогобужским котельными заво-дами (БиКЗ и ДКЗ). По данным заводов-изготовителей ориентировочное количество газомазутных котлов, на-ходящихся в промышленной эксплуатации, составляет

порядка 30 тыс. шт. суммарной мощностью 300 тыс. т. пара/час (порядка 250 тыс. МВт). Существенная часть этих котлов (до 10 тыс. шт.) может быть рекомендо-вана для перевода на сжигание модифицированного угля микропомола. Во-вторых, существует несколь-ко десятков пылеугольных котлов, осуществляющих мазутный розжиг и подсветку, который можно осу-ществлять углем микропомола. Проведенные оценки инвестиционной привлекательности проектов по за-мещению мазута углем микропомола на газомазутных котлах в ряде регионов (Восточная Сибирь, Республика Саха (Якутия), Новосибирская область, Бийск) указы-вают на их коммерческую привлекательность: дискон-тированные сроки возврата инвестиций составляют от нескольких месяцев до 2-3 лет.

Степень разработанности технологии:

1. Существует большой экспериметальный матери-ал, отражающий положительные результаты сжигания механоактивированных углей микропомола различных стадий метаморфизма на экспериментальных

23

стендах 1 и 5 МВТ Института теплофизики СО РАН. Подтверждается, что пылеугольный факел при сжи-гании аналогичен газомазутному факелу. Результаты испытаний позволяют уже сейчас применять данную инновацию в большой и малой энергетике сибирских регионов.

2. Разработка и испытание технологии безмазут-ного розжига на основе механоактивированных углей микропомола начата на котле ПК-40 Беловской ГРЭС ОАО «Кузбассэнерго». Получены первые положитель-ные результаты. Руководством Беловской ГРЭС при-знаны успешными результаты работ по опробованию пилотной установки технологии (протокол испытаний от 04.12.2013 г.)

Возможные риски реализации технологии.

Рыночные риски исключены. Во-первых, энергети-ческая и экономическая политика страны ориентирова-на на «вторую угольную волну» и снижение использо-вания на энергетические нужды нефтяного и газового топлива. Рыночная цена на замещаемое жидкое топли-во (мазут, дизельное) существенно превышает/будет превышать рыночную цену на уголь (в 3-10 раз), а в перспективе и на газ (до 3 и более раз). Во-вторых, в России существует достаточно большой парк кот-лов в «малой» (до десятка тысяч котлов) и «большой» энергетике (несколько десятков котлов), где эта техно-логия является коммерчески привлекательной: допол-нительные затраты на оборудование микропомола и сжигания окупятся в интервале от нескольких меся-цев до нескольких лет.

Кадровые риски отсутствуют.

Технические риски. Существует риск снижения на-дежности основного узла технологии – мельницы ми-кропомола в длительном процессе эксплуатации (износ рабочих элементов мельниц при непрерывной работе котлов на микроугле), что может быть выявлено толь-ко при опытно-промышленной эксплуатации техноло-гии и, возможно, потребуется модификация. Техниче-ские решения для снижения риска существуют.

Технологические риски исключены. Многочислен-ные экспериментальные исследования технологии на тепловых стендах 1 и 5 МВт и в Институте Теплофизи-ки СО РАН подтвердили жизнеспособность технологии и показали, что пылеугольный факел при сжигании угля микропомола различных стадий метаморфизма является аналогом мазутному и газовому факелу (по теплонапряженности и интенсивности выгорания).

Макроэкономические риски – отсутствуют в реги-онах, где высока цена привозного жидкого топлива (мазут, дизельное) и отсутствует газовое топливо, но существуют запасы местных углей. В других регионах страны с учетом прогнозных цен на топливо риски на-ходятся в приемлемых интервалах.

Финансовые риски – могут возникнуть в случае кри-зиса финансовой системы страны, а также при финан-совой нестабильности задействованных организаций для подготовки технологии.

Организационные риски должны быть исключены путем осуществления четкой системы взаимодействия на всей цепочке: проектирование – изготовление – по-ставка – монтаж и запуск оборудования – авторский надзор.

Рисунок 12 - Экспериментальный Тепловой стенд1 МВт ИТ СО РАН

Рисунок 13 - Фрагмент экспериментального Теплового стенда5 МВт ИТ СО РАН

24

КОНТАКТЫ ДЛЯ ЗАКАЗЧИКОВ И ИНВЕСТОРОВ:

Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН.Отдел Инноваций.

600090, РФ, г. Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 1Тел./факс: +7 (383) 335 65 46

Факс: +7 (383) 330 84 80E-mail: io@itp.nsc.ruu 25

Повышение энергоэффективности зданий. Энергоэффективные строительные материалы для

Сибири

Еще лет десять назад мало кому приходило в голо-ву, что жизнь заставит нас взглянуть на отопление до-мов по-европейски. Именно оттуда – из Европы – как раз и пришла к нам идея энергосбережения. Долгое время наши строители не ломали головы по поводу энергоэффективности возводимых ими зданий. Одна-ко за последние несколько лет ситуация поменялась радикальным образом.

Теперь государство утвердило новые строительные нормы и правила, в соответствии с которыми строя-щиеся дома будут классифицироваться в зависимости от уровня энергоэффективности. Выделяется три та-ких класса – класс С (нормальный), класс В (высо-кий) и класс А (очень высокий). Внутри каждого клас-са выделяются свои градации, например, В «плюс» и так далее. Самый высокий уровень обозначается как А «два плюс». Дом, соответствующий такому уровню, должен потреблять энергии на 50-60 % меньше, чем нормальный дом класса С. Причем отметим, что сам по себе класс С - это не безпорядочные требования: здесь уровень энергоэффективности заложен выше, чем предусматривали старые советские СНиПы. Поэ-тому класс А «два плюс» - очень заманчивая для нас перспектива, поскольку экономия здесь получается весьма и весьма приличная.

В этой связи очень актуально звучат вопросы те-плозащиты зданий. Причем для сибирских регионов данная тема актуальна как никогда. Каким путем здесь идти, какой основной материал выбрать? Вопрос не решен до сих пор. Чтобы выполнить современные нормативы по теплозащите, во многих случаях при-ходится использовать многослойные ограждающие конструкции, где применяется эффективный утепли-тель (органический или минеральный). Как правило, эффективные утеплители сочетаются с традиционны-

ми стеновыми материалами (кирпич, железобетон). Этот вариант считается оптимальным применительно к сибирским условиям, поскольку обеспечивается как необходимый уровень теплоизоляции, так и доста-точно высокая тепловая инерция, и требуемая капи-тальность самих построек (что очень ценится потре-бителями и заказчиками). Реже применяются легкие ограждающие конструкции типа сэндвич-панелей, поскольку подобные технические решения (в первую очередь – в многоэтажном строительстве) трудно увя-зать с существующими нормативами.

В любом случае применение эффективных утепли-телей (а значит – многослойных конструкций) тянет за собой целый ряд проблем. Подобные конструк-ции требуют серьезных исследований применитель-но к сибирским условиям, а так же высокой культу-ры проектирования и такого же подхода к качеству монтажа. Повальное распространение многослойных конструкций вызывает немало нареканий со стороны специалистов. Прежде всего в силу относительной ненадежности утепления. Как показывает практи-ка, эффективный утеплитель (при низком качестве проектирования и некачественном выполнении стро-ительно-монтажных работ) подвергается быстрому разрушению. В связи с чем сегодняшние новостройки можно по праву назвать испытательными полигонами для строительных технологий.

В свете сказанного перед ученым стоит задача – со-здать материал, который мог бы обеспечить высокий уровень теплоизоляции, прочности и долговечности, что позволило бы возводить однородные ограждаю-щие конструкции без дополнительного утепления. Но-восибирские ученые предлагают здесь свои варианты, которые рассмотрены ниже.

26

В настоящее время в сибирских регионах на роль строительного материала, обеспечивающего относи-тельно высокий уровень теплозащиты при относи-тельно высоком уровне капитальности, претендует ав-токлавный газобетон – как в форме стеновых блоков, так и в форме отдельных крупноразмерных армиро-ванных панелей.

Тем не менее, газобетон имеет существенные недо-статки, о которых производители стараются не гово-рить. Чаще всего этот материал критикуют за то, что он подвержен впитыванию влаги, из-за чего происхо-дит ухудшение теплоизоляционных свойств, а также возникает опасность появлений трещин в холодный период, когда попавшая внутрь вода, замерзая, на-чинает расширяться и деформировать структуру. От-сюда следуют рекомендации в обязательном порядке осуществлять мероприятия по защите наружных стен от влаги.

Однако есть еще один существенный изъян. Будучи кристаллогидратом, газобетон имеет очень низкую ог-нестойкость. Несмотря на это, он широко применяется в каркасном многоэтажном строительстве для забу-товки стен. На указанный недостаток обращают вни-мание специалисты Института химии твердого тела и механохимии СО РАН.

Идеальными свойствами в этом отношении облада-ет керамзит. Газобетон, в определенном смысле, стал дешевой заменой керамзиту, который еще в советский период производился в огромных количествах. Керам-зит по многим показателям превосходит газобетон. В принципе, из керамзита (с небольшой добавкой це-мента и воды) можно «штамповать» целые блоки и даже плиты - достаточно прочные и легкие. Керамзит отличается высокой теплоизолирующей способно-стью, а также (что тоже немаловажно) – высокой жа-ропрочностью. К тому же он экологичен и долговечен. Однако он достаточно дорог. Для его производства ну-жен специальный сорт вспучивающейся глины, запасы которой сейчас невелики. Нужен также и специальный вспучиватель – тоже дорогой. Наконец, такое произ-водство требует высоких температур – до 1500 °С,что также накладно с точки зрения энергозатрат. По указанным причинам производство керамзита и ке-рамзитобетона стало невыгодным и он был вытеснен более дешевым газобетоном.

Однако это не значит, что газобетону нет достой-ной альтернативы, способной конкурировать с ним

не только по качеству, но и по цене. Как раз такую альтернативу предлагают специалисты ИХТМ СО РАН. Речь идет о так называемом низкотемпературном ке-рамзите, который сохраняет положительные свойства обычного керамзита, но при этом не требует столь вы-соких затрат для своего производства.

Специалисты этого института рассматривают в ка-честве альтернативы цементу силикатное вяжущее, которое можно использовать для получения низко-температурного керамзита с теплопроводностью 0,07 Вт/м.К и насыпной плотностью от 0,3 г/см3. В качестве исходного сырья в ход могут пойти все те же отходы производства, годные и для производства ячеистых бетонов.

Фактически мы имеем дело с новым материалом, но уже менее затратным в производстве, однако обла-дающим важными положительными характеристика-ми «классического» керамзита. Для его производства не нужны редкие сорта глин, не нужны высокие темпе-ратуры. В качестве основного сырья, как уже говори-лось, можно использовать золо-шлаковые отходы. А применение силикатного вяжущего позволяет снизить температуру производства до 250-300 °С. Керамзит-ные гранулы, полученные таким способом, снаружи совершенно не проницаемы для влаги. То есть обла-дает только внутренней пористостью. Этим качеством, отметим, ни ячеистые бетоны, ни эффективные уте-плители, ни обычный керамзит не обладают.

Сырьем здесь может быть и обычный песок, прав-да, требующий специального тонкого помола. Тем не менее, отходы в качестве исходного сырья делают производство такого материала еще более актуаль-ным. Причем, когда мы говорим об отходах, речь идет не только о золах ТЭС. Весьма заманчиво выглядят от-ходы металлургических производств, в частности – у наших соседей в Новокузнецке. В каждом Сибирском регионе накоплено более 35 млн. тонн золы и шла-ка. Площадь занятых земель - более 1250 Га. И хоть с отходами производственники работать не любят, тем не менее, было бы неразумно оставлять без внимания такой источник полезного сырья.

Конкретный пример: ОАО «ЗСМК». Здесь накоплено огнеупорного лома от 450 до 500 тыс. т. Ежегодно об-разуется 30-35 тыс. т.; 80 % – шамот и динас; нару-шается устойчивость экосистемы.

Технология получения низкотемпературного керамзита с использованием нанодисперсного вяжущего

27

Перечень необходимого оборудования

№ п/п Оборудование Марка Поставщик

1 Вальцы камневыделительные Вальцы СМ 1198 «Красный Октябрь»

2 Мельница Центробежная противоточная мельница (ЦПМ) «ИвЭнергоМаш»

3 Питатель Питатель ленточный УСМ 14 «Красный Октябрь»

4 Смеситель двухвалковый Смеситель лопастной 105.00.000 ООО «Строммашина-Щит»

5 Гранулятор Гранулятор плоскостной 1691.00.000 ООО «Строммашина-Щит»

6 Сушилка барабанная Сушильный барабан 2,2х16 Завод «Прогресс», г.Бердичев

7 Бункер готовой продукции

8 Полуприцеп двухосный Сеспель мод.964807 Сеспель мод.964807 АКМТ «Коминвест»

Обследование площадей складирования показало:

• 55-60 % - боя может быть использовано для вто-ричного производства огнеупорных материалов;

• 20-25 % - для производства строительных изделий;

• 15-20 % - отсыпки дорог, дамб, строительных площадок и т.д.

Керамзитобетонные блоки, полученные указанным способом, - один из самых удобных строительных материалов, для строительства частных домов и вы-сотных зданий. Удобство керамзитобетонных блоков в том, что по техническим характеристикам они не уступают кирпичу, однако расход материалов здесь несколько ниже, при этом вышеуказанные материалы обладают свойствами теплоизоляции.

Главным инновационным решением здесь является то, что для получения материала, подобного керам-зиту, предлагается использовать нанодисперсные вяжущие, которые получают при механохимической обработке водонерастворимых высокодисперсных ке-рамических порошков с силикатами натрия.

По утверждению специалистов ИХТМ СО РАН, вве-дение нового класса компонентов модифицирующих композиций - ультрадисперсных порошков тугоплав-ких керамических материалов, полученных механиче-ской активацией является одной из наиболее перспек-тивных областей современного материаловедения.

Предлагаемый технологический процесс.

Сырье – зола-гидрослив.

1. Поступление золы в цех.2. Отделение компонентов и предварительное из-

мельчение золы.3. Отделение ферромагнитных включений (сепарация).4. Измельчение золы.5. Дозирование и смешивание.6. Гранулирование смеси.7. Сушка с последующим вспучиванием (Т – 200-300 °С).8. Выгрузка готовой продукции (в бункер).

Сырье – зола-унос.

Это сырье молжет иметь насыпную плотность от 0,1 до 0,7 г/см3 (после уплотнения), возить далеко – неце-лесообразно.

1. Дозирование и смешивание.2. Гранулирование смеси.3. Сушка с последующим вспучиванием (Т – 200-300 °С).4. Выгрузка готовой продукции (в бункер).

28

КОНТАКТЫ ДЛЯ ЗАКАЗЧИКОВ И ИНВЕСТОРОВ:

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН.Лаборатория методов синхротронного излучения.

Тел.: +7 (383) 233 24 10 доб. 405,Е-mail: sanych@solid.nsc.ru 29

Разработки в области альтернативной энергетики

Альтернативная энергетика не без оснований счита-ется локомотивом инновационного развития. Сегодня в мире на долю возобновляемых источников прихо-дится 5,2% произведенной энергии. В некоторых стра-нах Европы, таких как Германия или Нидерланды, на долю возобновляемых источников приходится до 20 % генерируемой энергии. В России этот показатель составляет – 0,1%. Цифра просто удручающая, харак-теризующая нас скорее как страну третьего мира, а не как передовую державу. Только к 2020 году, согласно правительственным планам, в нашей стране данный показатель хотят поднять до одного процента (все-го лишь!). От перехода на ВИЭ нам все равно никуда не деться, поскольку альтернативная энергетика, вне

всяких сомнений – мировой тренд. Мало того, важно отметить, что в данной отрасли сосредоточены самые наукоемкие производства и технологии. Использова-ние ВИЭ решает как вопросы экологии, так и вопро-сы энергосбережения. Кроме того, альтернативная энергетика немыслима без разработки эффективных методов преобразования и хранения энергии, посколь-ку без них освоение возобновляемых источников не-возможно в принципе. ВИЭ иначе работать не будут, поскольку почти все они – периодического действия.

Ниже мы рассмотрим инновационные технологии новосибирских ученых, имеющие непосредственное отношение к энергетике будущего.

30

Газоструйный плазмохимический метод и возможности его практического применения

Разработка: ФГБУН «Институт Теплофизики им. С. С.Кутателадзе СО РАН»

Данный метод, связанный с инициированием хи-мических реакций в газовой фазе и на поверхности с помощью электронно-пучковой плазмы, универсален и позволяет осуществление на его основе широкого спектра технологий: от вакуумных - с получением сло-ев и пленок на поверхности, до атмосферных - с полу-чением различных химических продуктов.

Основы газоструйного плазмохимического метода:

1. Для активации молекул газа используется пучок электронов, формируемый электронной пушкой. В за-висимости от условий в реакционной камере (давление, расход рабочего газа) параметры пучка можно подо-брать такими, чтобы энергия электронов практически полностью поглощалась газовым потоком.

2. Быстрый конвективный перенос активных частиц из зоны активации в зону реакций с помощью газовой струи позволяет осуществлять контролироль и управ-ление технологическим процессом.

Особенности и преимущества метода.

Плазмохимическое осаждение слоев в условиях по-ниженного давления:

• Рекордная скорость осаждения слоев на больших площадях подложек.

• Воспроизводимость, контролируемость и управля-емость процесса.

• Модульность технологии, позволяющая на отрабо-танном в лаборатории оборудовании (холодный плаз-мотрон) для конкретного применения (ФЭП, анодный материал, или другие применения) использовать тех-нологические карты на промышленных установках, со-стоящих из множества плазмотронов в соответствии с заданной производительностью.

• Возможность применения метода (без его суще-ственных модификаций) для получения тонких пленок различного химического состава, в том числе из сырья в виде газа, твердого тела или жидкости.

• Возможность применения метода для травления, модификации поверхностей.

• Подавление нежелательных газофазных реакций за счет быстрой доставки частиц из зоны активации в зону осаждения (сверхзвуковой поток газа).

• Высокий коэффициент использования сырья (за счет высокой скорости плазмохимических реакций).

• Возможность реализации «roll-to-roll» процесса в технологии («рулонные» технологии).

• При осаждении слоев возможность использования двух параллельных подложек (двукратное увеличение производительности).

Плазменная газохимия:

• Промышленная производительность струйного плазмохимического метода (вплоть до 1000 м3/час, что выше, чем возможно достигнуть любым другим плаз-мохимическим методом).

• Универсальность по сырью (углеводороды или другое сырье, как в газовой фазе, так в виде жидкости или твердого тела).

• Высокий ресурс работы оборудования, обуслов-ленный низкой температурой работы как плазмотрона, так и всего оборудования (реактор и др.).

• Возможность создания компактных модульных, транспортируемых заводов для переработки в удален-ных районах исходного сырья в конечный продукт.

• Низкие удельные энергозатраты на получение по-лезного продукта (в комбинации электронно-пучковой плазмы и эффективного внешнего поля).

• Минимальное время пребывания сырья в виде струи газа в реакторе.

• Малогабаритные установки и небольшие затраты на оборудование (меньшие в разы инвестиционные вложения).

31

Направления ведущихся разработок

А) плазмохимическое осаждение слоев в условиях пониженного давления:

• Осаждение слоев кремния для тонкопленочных сол-нечных элементов. Достигнуты рекордные скорости осаж-дения слоев собственного полупроводника на уровне 5 нм/сек, получены слои кремния с различной кристалличе-ской структурой от аморфной до микрокристаллической.

• Осаждение слоев кремния для анодов литий-ион-ных аккумуляторов. Достигнута удельная разрядная емкость на первом цикле 3200 мАч/г при теоретиче-ской емкости 4200 мАч/г. При использовании подло-жек из углеродных нанотрубок количество циклов за-ряд-разряд увеличилось в 8 раз.

• Осаждение прозрачного проводящего покрытия ZnO:Al. Получены проводящие пленки с удельным сопро-тивлением 5∙10-3 Ом∙см и с коэффициентом пропускания видимого света на уровне 80 %.

• Осаждение слоев углерода. Получены слои дефек-тного графена с проводимостью на уровне 100 S/cm.

• Осаждение эпитаксиального кремния. Достигнуты скорости осаждения на уровне 15 нм/сек.

Б) плазменная газохимия:

• Синтез силанов. Предложен способ прямого по-лучения моносилана из металлургического кремния в плазме водорода и метана.

• Получение поликристаллического кремния солнеч-ного качества. Получен кремний солнечного качества с энергозатратами на уровне 50 кВт∙ч/кг из моносилана, с коэффициентом переработки свыше 50 %.

• Конверсия тетрахлорида кремния (SiCl4) в трихлор-силан (SiHCl3). Осуществлена плазмохимическая реак-ция с коэффициентом передела на уровне 30% в оди-ночном цикле.

• Конверсия природного газа в жидкие углеводоро-ды. Достигнута высокая селективность получения ме-танола (на уровне 80 %) при окислительной конверсии природного газа.

Ниже мы приводим описание технологий, разрабо-танных на основе указанного метода.

32

Новая технология производства тонкопленочных кремниевых солнечных модулей на гибких подложках

Рисунок 14 - Структура солнечного элемента на гибкой подложке:

«Сердцем» такой структуры является i-слой: его толщина определяет требования к скоростям осажде-ния и производительности оборудования.

Высокие скорости осаждения позволяют иметь вы-сокую производительность при малых габаритах обо-рудования.

Установка для нанесения p-i-n структуры тонко-пленочного кремниевого солнечного элемента по га-зоструйной плазмохимической технологии имеет не-большие габариты и стоимость.

На Западе фотовольтаика - это одно из магистраль-ных направлений, хорошо поддержанное государством. В этой области наблюдается самый резкий рост из всех источников возобновляемой энергии. Установленная мощность солнечной энергетики за последние пять лет выросла в десять раз! На сегодняшний день она состав-ляет более 100 ГВт. При этом 80 % приходится на Европу.

В России установленная мощность составляет где-то 10 МВт. На фоне Европы это просто мизер. В Германии, например, в отдельные дни, до 50 % мощности от общей генерации электроэнергии достигается только за счет фотовольтаики! Устранить означенный разрыв поможет производство тонкопленочных кремниевых солнечных модулей на гибких подложках.

Уже сейчас в Новосибирске сформирована мощная группа, включающая, помимо Института теплофизи-ки СО РАН, известные в стране предприятия, с целью запустить такое производство. Самая важная задача – создание пилотного проекта, для достижения этой цели Институтом подготовлена заявка в Фонд перспек-тивных исследований. От реализации пилотного проек-та будет зависеть, как дальше продвинется данная разработка, предложенная специалистами Института. Речь идет о плазмохимическом методе, позволяющем осаждать пленки кремния в сто раз быстрее, чем это позволяют другие методы. В итоге получается относи-тельно невысокая себестоимость производства и со-ответственно – доступные цены на данную продукцию.

По оценкам наших специалистов цена такого модуля установленной мощностью в один ватт составит всего 18 рублей (на момент написания статьи).

Пока это самое дешевое, что можно предложить на рынке в указанном сегменте. Поэтому данная продук-ция обещает быть вполне конкурентоспособной. Глав-ное, что в России может начаться производство фото-элементов по полному циклу, на основе отечественной технологии – с полной независимостью от внешних поставок. Тем самым параллельно будет решаться про-блема импорта-замещения, актуальная на сегодняш-ний день (ввиду западных санкций). Мало того, благо-даря конкурентоспособности, создается возможность трансфера данной технологии в другие страны.

В настоящее время подготовлен Проект по органи-зации опытного производства тонкопленочных крем-ниевых солнечных модулей на гибких подложках на базе нового струйного плазмохимического метода.

Цель проекта:

Создание новой технологии двойного применения производства тонкопленочных солнечных модулей на гибких подложках со стоимостью менее 0,5 $/Вт.

Ориентировочный cрок выполненияработ по проекту – 3 года.

Концептуальные основы проекта:

• Газоструйный плазмохимический метод осаждения.• Фотогенерирующий слой (i-слой) – смесь nc-Si:H и

a-Si:H (~50-50) %.• Однокаскадная архитектура солнечного элемента.• Гибкая подложка (roll-to-roll технология).• Модульность технологической линии производства

тонкопленочных кремниевых СЭ.

33

Новый газоструйный плазмохимический метод:

• обеспечивает выполнение основных технологических операций нанесения слоев структуры кремниевого сол-нечного элемента с высокими скоростями осаждения;

• позволяет получать перспективный материал, для создания нового поколения тонкопленочных солнеч-ных элементов – нанокристаллический кремний, рас-творенный в аморфной матрице;

• позволяет создать на его базе сравнительно недоро-гое, компактное и высокотехнологичное оборудование для производства кремниевых солнечных элементов;

• технологические режимы полученные на одиноч-ном струйном источнике в лаборатории переносятся без изменений на промышленную линию (экономия времени при масштабировании).

Что это дает с точки зрения цели проекта?

• Уменьшение габаритов и цены технологического оборудования.

• Повышение надежности (воспроизводимости) тех-нологии.

• Сокращение времени отладки технологии (в разы).• Отказ от дефицитных и дорогостоящих исходных

материалов (GeH4, Si2H6)

Участники проекта и их функционал

ОАО «Новосибирский завод химконцентратов»: • Производственная и инженерная площадка.• Организация производства солнечных модулей по

полному технологическому циклу.• Комплектование солнечных систем на базе солнеч-

ных модулей и литий-ионных аккумуляторов.

Научно-промышленная группа «Солярис»: • Формирование сбытовой и маркетинговой полити-

ки проекта, включая изделия двойного назначения.

ЗАО «ФЕРРИ ВАТТ»: • Проектирование и изготовление оборудования.

Институт теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН ,Институт физики полупроводников им. А. В. Ржано-

ва СО РАН:• Формирование научных основ технологии и ТЗ на

оборудование для производства тонкопленочных крем-ниевых солнечных модулей на гибких подложках.

ОАО «НПО «Лианозовский электромеханический за-вод» (НПО «ЛЭМЗ»)

• Производственная и инженерная площадка.• Производства солнечных модулей для независи-

мого энергообеспечения выпускаемых собственных изделий.

Концепция развития проекта

На первом этапе:

Проект разделяется на два подпроекта развиваю-щихся независимо и стартующих одновременно:

• Инженерный – результатом подпроекта является оборудование для реализации полного цикла произ-водства солнечных модулей (СМ).

• Научно-технологический - результатом подпроекта является технологические карты работы оборудования по производству СМ.

На втором этапе:

• Совместный – уточнение технологических карт на вновь созданном оборудовании по производству СМ.

1. Такой подход возможен вследствие того, что тех-нологические карты, отработанные на лабораторном уровне, могут быть использованы практически без из-менений на промышленном уровне.

2. Для данного метода нет проблемы масштабирова-ния (сверхзвуковая струя и электронный пучок имеют строго воспроизводимые параметры).

3. Подобная концепция экономит годы на разработку.

Перенос лабораторной технологии на опытно-про-мышленную для газоструйного метода значительно упрощен и сокращен по времени за счет того, что тех-нологические карты лабораторного варианта пригод-ный и для опытно-промышленного.

Новый газоструйный плазмохимический метод

34

Струйный плазмохимический метод в применении к GTL- технологии

Над проблемой получения метанола непосредствен-но из природного газа давно уже бьются не только в нашей стране, но и за рубежом. Данное направление считается очень перспективным. Некоторые ведущие ученые с мировым именем даже прочат метанолу судь-бу альтернативного топлива будущего.

В настоящее время технология переработки углево-дородов включает в себя обязательную стадию пере-работки исходного сырья в синтез-газ и последующее производство из синтез-газа необходимых продуктов. При этом стоимость установки по производству син-тез-газа составляет порядка 60 % суммарной стоимо-сти завода по конверсии природного газа в жидкое топливо.

Основные направления модернизации современной технологии:

1. Прямая переработка шахтного метана, природного и попутного нефтяного газа в жидкие или газообразные товарные продукты без стадии получения синтез-газа.

2. Создание модульных, мобильных установок не-посредственно на местах добычи и переработки сырья.

Предлагается разработка технологии и оборудова-ния по производству метанола и других продуктов из шахтного метана, низконапорного природного и по-путного нефтяного газов на базе струйного плазмохи-мического метода, позволяющего:

• Наладить выпуск модульных, мобильных перераба-

тывающих установок;• Уменьшить размеры и массу технологического обо-

рудования;• Снизить удельные капиталовложения в производство;• Уменьшить себестоимость получаемой продукции.

Рисунок 15 - Вариант компоновки оборудованияопытно-демонстрационной установки по переработке природногои попутного нефтяного газов

35

Преимущества предлагаемой технологии:

• Отсутствие стадий получения синтез-газа при кон-версии шахтного метана, попутного нефтяного или природного газов в метанол - прямое получение ме-танола.

• Проведение процесса получения метанола при низких температуре и давлении (около 150 °С и 1 атм, вместо 340-860 °С и 30-250 атм по известным техно-логиям).

• Многократное снижение массы и размеров уста-новок, снижение их стоимости, возможность создания модульных, мобильных установок.

Ожидаемый выход метанола на один проход сырья выше, чем в известных промышленных реакторах син-теза метанола: 20 % вместо 3 %.

• Перерабатываемый газ не требует предваритель-ной сероочистки – сера в элементарном виде осажда-ется из потока.

Основные потребители продукции:

• Нефте- и газодобывающие предприятия (перера-ботка попутного нефтяного или природного газов на месторождениях, в т. ч. на морских платформах).

• Угольная промышленность (переработка шахтного метана).

• Производители моторных топлив (для дальнейше-го производства бензина из метанола).

• Отечественные и зарубежные предприятия, полу-чающие метанол по традиционной технологии.

36

КОНТАКТЫ ДЛЯ ЗАКАЗЧИКОВ И ИНВЕСТОРОВ:

Институт Теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН.Лаборатория молекулярной кинетики.

630090, РФ, г. Новосибирск, пр. ак. Лаврентьева, 1Тел/факс: +7 (383) 330 64 51

E-mail: molkin@itp.nsc.ru 37

Проект получения биотоплива и ценных химических продуктов на

основе биомассы мискантуса

Инициатор Проекта – Институт цитологии и генетики СО РАН. Проект выполняется при поддержке фондов Ренова и Сколково.

Цель проекта – разработка энергоэффективной технологии химической и биологической конверсии биомассы в биотопливо, конкурентоспособной по се-бестоимости с существующими технологиями нефте-химической промышленности.

Динамика развития проекта до настоящего времени: Созданы опытные плантации мискантуса, продуци-

рующие большое количество биомассы, пригодной для многоцелевого использования. Собрана коллекция промышленно-перспективных микроорганизмов.

Текущее состояние

• Получен допуск к использованию мискантуса (сорт Сорановский) для РФ;

• Приобретен и введен в эксплуатацию наноэкстрак-тор МАН-30. Получены порошки биомассы мискантуса;

• Имеются культуры микроорганизмов, способные разлагать широкий спектр целлюлозосодержащих суб-стратов, включая порошок мискантуса;

• Разработаны катализаторы для процесса деокси-генации продукта быстрого пиролиза измельченной биомассы, имеются патенты.

Перспективы разработки

(1) Технология получения из растительной биомас-сы сырья для биотехнологий позволит вести разработ-ку производства не только биоэтанола, но и биобута-нола – исходных компонентов для крупнотоннажного химического производства, а также высококачествен-ной целлюлозы и ее производных.

(2) Разработка химических способов конверсии био-массы в биотопливо на основе пиролитических и ка-талитических подходов имеет перспективы для полу-чения биодизеля, пригодного для заправки дизельных двигателей после незначительной модификации.

(3) Разрабатываемая технология имеет перспекти-ву адаптации к другим видам целлюлозосодержащего сырья, в том числе отходов сельского хозяйства.

Планируемые сроки:

• начало реализации Проекта – январь 2014 г.;• начало коммерциализации разработки* – 2017 г.

*Выпуск опытных партий и пробный маркетинг – с 2015 г.

Технологии на основе биомассы мискантуса в ста-дии разработки:

• Получение биоэтанола для моторного топлива;• Получение молочной кислоты для производства

биоразлагаемых пластиков;• Получение целлюлозы для производства

волокна и др.

Мискантус легко растет на маргинальных землях и дает урожаи биомассы, превышающие урожайность лесных массивов. Использование в качестве быстро возобновляемого источника энергии воспроизводи-мой растительной биомассы может составить эффек-тивную конкуренцию использованию ископаемого ор-ганического сырья.

По современным оценкам выращивать травянистые растения для энергетических нужд выгоднее, чем де-ревья.

Разработка биотоплива на основе преобразования структурных углеводов клеточной стенки позволяет избежать прямой конкуренции с производством про-дуктов питания и расширяет круг возможных источни-ков биомассы.

В Западной Европе в настоящее время различные виды мискантуса используются в качестве источника качественной целлюлозы и сырья для производства этилового спирта.

Существуют породы быстрорастущих деревьев и трав, которые за рубежом выращиваются для нужд

38

Существующие решения на рынке

Наименование мо-дели / продукта

Стадия Используемое сырье

Октановое число

Массовая доля воды, % не более

Объемная доля этилового спирта, % не менее

Цена, руб. за литр

Биоэтанол (ГОСТ) На рынке зерно 105 1 92,1 11 - 12

Биоэтанол (проект) В разработке мискантус 105 0,5 99,5 11 - 12

В данной таблице приведена доля биоэтанола на рынке моторного топлива:

Оценка рынка 2012 2020

Мировой рынокВ количественном выражении, % 5,75 10

В количественном выражении, млрд литров мискантус 18

Внутренний рынок В количественном выражении, % отсутстует 5

Выращивание мискантуса в условиях Западной Сибири

Удобренное поле обрабатывают паровым культива-тором и через каждые 70 см картофельным окучником нарезают борозды глубиной 25 см.

Корневища вручную раскладывают по бороздам и присыпают. Поле выравнивают перевернутыми бо-ронами и прикатывают кольчато-шпоровыми катками.

Всходы появляются через 7-10 дней. По всходам проводится химическая прополка против двудольных растений. Междурядья обрабатывают фрезами.

Весной второго года вносятся удобрения и прово-дится поверхностное рыхление лущильником. Меж-дурядная обработка возможна только в начале лета

(июнь), так как начинается колонизация междурядий корневищами. Необходима химическая прополка.

На третий год плантация мискантуса представляет собой сплошные заросли растений высотой 2-2,5 ме-тра с густотой стояния 140-150 стеблей на м2.

В последующие годы плотность стеблей стабилизи-

руется на уровне 200-220 стеблей на кв.м. Корневища образуют в почве на глубине 5-20 см сплошную сеть и их длина составляет 50-65 м/м2.

Такой способ размножения позволяет существенно упростить рассадку растений: во-первых – корневища легко отделить друг от друга; во-вторых – они легко укладываются в борозды сплошной лентой.

Урожайность сухой массы – 10-15 т/Га.

Рисунок 16 - Структура солнечного элемента на гибкой подложке:

Экстрактивныевещества Зольность

Холоцеллюлоза

a-целлюлоза

Лигнин

энергетики. Мировым сообществом активно ведется поиск быстрорастущих источников биомассы, среди них – эвкалипт, бук, тополь, ива и некоторые другие.

Сегменты рынка, на который ориентирован продукт:

• Российский и мировой. • Рынок моторного топлива.Потенциальные потребители биоэтанола - автомо-

били с Flex-fuel двигателями. Биоэтанол входит в со-став моторного топлива марок Е5, Е7, 10 и Е85.

39

Экономические показатели предприятия по выращиванию мискантуса и производству из него целлюлозы (с сельскохозяйственными угодьями площадью 10 тыс. га). Оценка дана без учета первоначальных затрат на засев 10 тыс. Га, который осуществляется в течени 3 лет.

– Сельскохозяйственные расходы

– Затраты на технологический процессполучения целлюлозы (включая реактивы)

– Заработная плата персонала (включаяналоги на фонд заработной платы)~ 26 000 р., 10 чел.

– Затраты на электроэнергию - 2 установки

– Дополнительные расходы

– Продажа целлюлозы

– НДС:

– Прибыль:

115 млн. руб.

120 млн. руб.

4,0 млн. руб.

2,3 млн. руб.

1,5 млн. руб.

840 млн. руб.

128 млн. руб.

443 млн. руб.

40

КОНТАКТЫ ДЛЯ ЗАКАЗЧИКОВ И ИНВЕСТОРОВ:

Институт цитологии и генетики СО РАН. Лаборатория молекулярных биотехнологий630090, РФ, г. Новосибирск, просп. ак. Лаврентьева, 10

Тел.: +7 (383) 363 49 97Факс: +7 (383) 333 12 7

E-mail: peltek@bionet.nsc.ru 41

Институт теплофизики СО РАНим. С. С. Кутателадзе

«Мы стараемся делать то, что полезно людям»

Институт назван именем выдающегося физика - академика Самсона Семеновича Кутателад-зе, руководившего Институтом теплофизики с 1964 по 1986 гг. Фактически, Самсон Кутателадзе заложил тот идейный фундамент, на который по сию пору опирается научный коллектив Института. И речь

идет не только об исследовательских направлениях: целая философия, без которой сегодняшним сотруд-никам невозможно представить свою работу. Можно сказать, что речь идет о традиции – традиции в хоро-шем смысле слова.

На фото, в центре: Сергей Алексеенко – директор Института, член-корреспондент РАН;

справа от него: Александр Павленко – заведующий лаборато-риейнизкотемпературной теплофизики, член-корреспондент РАН;

слева: Виктор Терехов – заведующий лабораторией термогазоди-намики, доктор технических наук.

Сергей Алексеенко: «Мы все считаем себя учениками Самсона Кутателадзе». Сегодня у Института теплофизики - це-лый пакет разработок конкретно для Новосибирска. В основном это раз-работки, связанные с модернизацией энергетических систем, с энергосбере-жением, с утилизацией отходов, с ис-пользованием возобновляемых источ-ников энергии. Как отнесется к ним руководство города, пойдет ли навстре-чу, проявит ли интерес – время пока-жет. Ученые, во всяком случае, готовы к такому сотрудничеству. Благо, им есть что предложить. Ведь ориентация на практический результат – это, по сути, основное кредо Института. И большая заслуга здесь принадлежит как раз Самсону Кутателадзе. «Делайте то, что будет полезно людям» - так наставлял он своих учеников.

И вот что удивительно: сам Институт изначально создавался для решения военных задач. А вот теперь – огром-ный «веер» исследовательских на-правлений для мирной жизни. Нельзя не отметить, что сотрудники Института успешно работают с зарубежными кол-легами, а некоторые научные моногра-фии переиздаются в разных странах на иностранных языках. Фундаменталь-ные заделы гармонично сочетаются с решением задач сугубо прикладного плана. Пожалуй, в Институте теплофи-зики далеки от того, чтобы просто так удовлетворять любопытство за госу-дарственный счет. Теория и практика спаяны здесь неразрывно. Возможно, это именно та традиция, о которой мы говорили выше.

42

Александр Павленко – прямой ученик Самсона Кута-теладзе. «Когда я только начал работать в лаборатории Самсона Семеновича и стал изучать его труды, - вспо-минает он, - меня поразил спектр задач, им решенных, широта его взгляда. Даже сегодня поражаешься глуби-не его книг, количеству тех идей, которые в них зало-жены. Его книга – «Основы теплообмена при кипении и конденсации», - написанная в 1949 году, сразу была переведена на английский язык Атомной комиссией США и является, по сути, одним из важнейших учеб-ников».

К счастью, дело, которому посвятил жизнь Самсон Кутателадзе, есть кому продолжить – в Институте те-плофизики много молодых энтузиастов. На снимке – лауреат премии имени Самсона Кутателадзе, кандидат физико-математических наук Антон Суртаев.

Заведующий лабораторией интенсификации про-цессов теплообмена Олег Кабов рассказывает журна-листам о разработках космической важности. «И это без всяких преувеличений! Немногие, наверное, зна-ют, что эта работа создавалась для нашего ответа аме-риканской программе «звездных войн». Советскому Союзу нужен был мощный компьютер. Спрашиваете, какая связь между компьютером и процессом теплоо-бмена? Связь прямая – чтобы нормально работал ком-пьютерный процессор, его нужно эффективно охлаж-дать. Это одна из серьезнейших задач, которую как раз решают специалисты в области теплофизики. Сейчас на пути развития вычислительной техники с новой си-лой встали те же проблемы: чем интенсивней работает процессор, тем сильнее он нагревается. Так что работы у наших спецов – непочатый край».

«Солнечная энергетика - это наше будущее!» Заве-дующий лабораторией молекулярной кинетики Равель Шарафутдинов, разработчик перспективного струйно-го плазмохимического метода.

43

Мал золотник, да дорог: результаты исследований с помощью данной установки, умещающейся на обыч-ном письменном столе, могут стать большим шагом для всего человечества. Как говорил по такому пово-ду Самсон Кутателадзе: «Чем меньше установка, тем больше результат».

Это устройство имеет прямое отношение к космосу – его планируют применить на Международной косми-ческой станции.

«Нет будущего без угля, особенно в Сибири!» - это еще одна из идей Самсона Кутателадзе, можно сказать – его завещание. Самсон Кутателадзе делал ставку на угольное топливо. Его подходы развивают сегодня сотрудники Института. На снимке – главный научный сотрудник Леонид Мальцев, специалист по водно-угольному топливу. Переход на ВУТ можно осуще-ствить в Новосибирской области хоть сейчас. Была бы, как говорится, политическая воля. Но это уже – вопрос к политикам, а не к ученым.

В исследованиях используется суперсовременное (и очень дорогое) оборудование. Вот так изучают струк-туру пламени.

Специальный микропомол придает углю прямо-та-ки «чудесные» свойства. «Такой уголь может гореть в топке не хуже газа», - считает заведующий отделом теплоэнергетики Анатолий Бурдуков

44

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН

«Мы всегда были обращены к практике»

Директор ИТХТТМ СО РАН академик Николай Ля-хов: «Самыми страшными для Института были 1990-е годы, которые мы благополучно пережили. Сегодня мы

Растительное сырье скоро станет «хлебом» химиче-ской промышленности. Это одно из перспективнейших направлений науки и производства. Но чтобы извлечь из такого сырья полезные компоненты, надо научиться правильно с ним работать. Тут свои тонкости, свои се-креты. Молодые ученые – Алексей Бычков и Игорь Ло-мовский – уже владеют такими секретами. Они знают, например, как превратить солому… в спирт. По-науч-ному – в биоэтанол.

В Институте много молодых ребят. И это радует ру-ководство – подрастает достойная смена. Эти студенты отрабатывают новую технологию, изобретенную в Ин-ституте. Возможно, именно так осуществляется техно-логический прорыв.

в хорошей форме». Правда, есть одно тревожное об-стоятельство – так называемая «реформа» РАН, ини-циированная год назад. Это был «неожиданный удар». Однако в Институте не теряют надежды на благополуч-ный исход. Связь с практикой, с производством, созда-ние полезных изобретений – вот основания для устой-чивого развития Института. Спектр направлений, по которым работают сотрудники, очень широк и поража-ет воображение: фармакология, энергетика, пищевая промышленность, топливные элементы, материалы для промышленного оборудования, авиационных двигате-лей, строительства. Всего и не перечислишь. А по неко-торым позициям Институт идет вровень с передовыми странами. По России – в безусловных лидерах. Может, такое обращение к практике снижает цитируемость, но зато привлекает надежных частных инвесторов. Прак-тическая польза – вот основное преимущество. В конце концов, граждане страны должны быть уверены, что ученые не зря едят свой хлеб.

45

Молодой человек «колдует» над переработкой рас-тительного сырья. Переработка непростая. Тут свои сложности и секреты. Механохимия – направление перспективное и ошеломляющее своими возможно-стями.

Главное – правильно измельчить растительное сы-рье. Именно «правильно». Растение состоит из клеток, и их нельзя разрушать в произвольном порядке. Нужно точно попасть в «золотую середину». Для этого в Ин-ституте разработали специальные «чудо-мельницы».

На этой центробежной роликовой мельнице происходит процесс ме-ханической активации растительного сырья. Конечно же, под неустан-ным контролем специалиста (на снимке – сотрудник Института В.И. Бе-резин). Контроль здесь важен, ведь это, одна из главных составляющих секрета.

В Институте разработали современную замену ан-тибиотикам. Это так называемые маннанолигосахари-ды, получаемые из дрожжевой биомассы. Здесь тоже необходимо умение работать с исходным сырьем. Все-таки механохимия – это наука, а не кустарное про-изводство.

46

Листья кукурузы в химической лаборатории. Они здесь не для украшения, а для эксперимента. Если бы мы только знали, сколько ценных веществ содержится в отходах сельскохозяйственного производства, мы бы поняли, что сжигать их или закапывать в землю – рас-точительство! Ученые Института учатся правильно и экономно извлекать эти вещества. Не только из листьев кукурузы. Скоро здесь начнется производство серотони-на… из веток облепихи! Да-да. Есть на Алтае произво-дитель, выращивающий облепиху. Но ему нужны ягоды. А куда девать ветки (которые срезаются во время сбо-ра)? Ученые нашли применение этим отходам. А ведь при ином раскладе ветки просто оказались бы на свал-ке. Однако выяснилось, что в коре облепихи содержится ценное вещество – серотонин. И они, ученые, знают, как его правильно извлечь. Интересно, что работу с расти-тельным сырьем уже назвали «зеленой химией».

Алексей Бычков демонстрирует бутыли с первым оте-чественным биоэтанолом, полученным из соломы! Точ-нее, полученным из целлюлозы, извлеченной из соломы механохимическим способом. Интересно, содержит ли такой спирт сивушные масла? Впрочем, какая разница – автомобильному двигателю оно безразлично – шутит ученый. Главное, что добавка биоэтанола повышает ок-тановое число автомобильного топлива. Причем, обра-тите внимание – экологически чистая добавка! И ведь главная фишка тут в том, что получена она из соломы, коей у нас в стране – прорва.

Такие материалы Институт предлагает для строи-тельной индустрии. Экономично и надежно. Вместо цемента – силикатное вяжущее. Зольный кирпич, низ-котемпературный керамзит, пенодиатомитовый утепли-тель, облицовочная плитка. Вполне достойная замена тем материалам, что производятся на многочисленных предприятиях. Главное, найти сейчас частного инвесто-ра, готового вложиться в новое производство.

Здесь работают над созданием отечественного супер-конденсатора. Перспективная и востребованная в совре-менной технике штука. Немногие отечественные институ-ты могут похвастать успехами на этом поприще, а ИНХТТМ СО РАН – может. Впереди только японцы. Наши надеются не уступать, хотя и финансирование ниже в разы. Но этот вопрос надо уже адресовать российским «эффективным менеджерам».

47

Уважаемые читатели!

Департамент промышленности, инноваций и предпринимательства мэрии г. Новосибирска видит одной из главнейших своих задач - продвижение перспективных разработок новосибирских ученых. С этой целью по инициативе департамента организован Инвестиционный Деловой Клуб, в рамках которого демонстрируются инновационные разработки, новые технологии, пилотные инновационные проекты, обсуждаются возможности практической реализации перспективных проектов на территории города и области. Место проведения Инвести-ционного Делового Клуба - Пресс-центр ТАСС (Новосибирск, ул. Добролюбова, 2а).

Всем, желающим участвовать в заседаниях Инвестиционного Делового Клуба, обращаться за информацией:

Т.: +7 (913) 382 42 99E-mail: Noskov68@mail.ru

Носков Олег Николаевич,главный специалист департамента промышленности,инноваций и предпринимательства мэрии г. Новосибирска

Над изданием работали:ООО Издательский дом «Престиж» (главный редактор Анохина Л.А.),

г. Новосибирск, ул. Серебренниковская 4/1.Дизайн, верстка, допечатная подготовка: Щербаков Н.Г.

Редактура, корректура: Устинова О.Д., Губко Г.А.

48