Главная > Лаборатории > Лаборатория плазмохимии
Лаборатория плазмохимии
История
Лаборатория плазмохимии создана в 2002 году. С 2002 по 2019 г. лабораторией заведовал д.т.н., проф. Мессерле Владимир Ефремович. С 2019 г. лабораторией заведует доктор PhD Умбеткалиев Куаныш Аскарович. Лаборатория занимается разработкой и созданием технологий применения электродуговой плазмы в энергетике, металлургии и химической промышленности.
Описание лаборатории
Сфера исследований:
Основной деятельностью лаборатории является математическое и экспериментальное исследование процессов плазменного воспламенения и стабилизации горения аэросмеси на пылеугольных котлах ТЭС, плазменной переработки твердых топлив, плазменной переработки различных видов минерального и техногенного сырья с целью получения ценных компонентов для нужд энергетики, химической промышленности и других производств и улучшения экологической ситуации.
Основные задачи:
- Разработка и апробация плазменной технологии получения водорода и технического углерода из углеводородных газов.
- Исследование и разработка технологии плазменной переработки углеродсодержащих твердых бытовых отходов, включая медицинские, с целью получения высококалорийного синтез-газа для генерации тепловой энергии.
Результаты:
- Отличительной особенностью технологии плазменно-топливных систем (ПТС) от существующих аналогов прямого воспламенения пылеугольного факела в топках котлов является использование плазменной термохимической подготовки угля к сжиганию. Она заключается в нагреве аэросмеси (угольная пыль + воздух) электродуговой плазмой до температуры выхода летучих угля и частичной газификации коксового остатка. Тем самым из исходного угля получают высокореакционное двухкомпонентное топливо (горючий газ + коксовый остаток). При его смешении с вторичным воздухом в топке котла двухкомпонентное топливо воспламеняется и устойчиво горит без дополнительного топлива (мазут или газ), традиционно используемого для растопки котлов и подсветки пылеугольного факела.
- Технология получения водорода плазмохимическим пиролизом углеводородных газов позволяет получать водород без использования катализаторов и с меньшими затратами энергии.
Научные достижения и публикации
1. Messerle V.E., Ustimenko A.B., Lavrichshev O.A., Nugman M.K. The Gasification and Pyrolysis of Biomass Using a Plasma System // Energies. -2024. –Vol.17. –No 22. https://doi.org/10.3390/en17225594
2. Messerle V., Ustimenko A. Plasma Processing of Rubber Powder from End-of-Life Tires: Numerical Analysis and Experiment // Processes. – 2024. –Vol. 12. –No 5. –P. 2-17. https://doi.org/10.3390/pr12050994
3. Messerle V.E., Ustimenko A.B. Thermodynamic and kinetic modeling and experiment on plasma ignition of pulverized high-ash coal // Applications in Energy and Combustion Science. – 2024. – Vol. 17. – P. 100248. https://doi.org/10.1016/j.jaecs.2024.100248
4. Messerle V.E., Ustimenko A.B. Hydrogen Production by Thermal Plasma Pyrolysis of Hydrocarbon Gases // IEEE Transactions on Plasma Science. – 2024. – Vol. 52, No. 4. – P. 1188 – 1192. https://doi.org/10.1109/TPS.2023.3300325
5. Messerle V.E., Ustimenko A.B., Bodykbaeva M.K. Plasma-chemical waste processing: numerical analysis and experiment. Part 1: Biomedical waste and fuel biomass // Thermophysics and Aeromechanics. – 2023. – Vol. 30, No. 1 – P. 195 – 204. https://doi.org/10.1134/S0869864323010201
6. Messerle V.E., Lavrichshev O.A., Ustimenko A.B., Orynbasar M.N. Plasma-chemical waste processing: numerical analysis and experiment. Part 3. Rubber of used tire // Thermophysics and Aeromechanics. – 2023. – Vol. 30, No. 3. – P. 631–635. https://doi.org/10.1134/S0869864323030186
7. Messerle V.E., Ustimenko A.B., Umbetkaliev K.A. Plasma ignition of solid fuels at thermal power plants. Part 2. 3D modeling of the furnace of a pulverized coal boiler // Thermophysics and Aeromechanics. – 2022. – Vol. 29, No. 6. – Р. 981–992. https://doi.org/0.1134/S0869864322060191
8. Messerle V.E., Ustimenko A.B., Tastanbekov A.K. Plasma ignition of solid fuels at thermal power plants. Part 1. Mathematical modeling of plasma-fuel system // Thermophysics and Aeromechanics. – 2022. – Vol. 29, No. 2 – P. 295 – 310. https://doi.org/10.1134/S0869864322020135
9. Imangazy A., Smagulova G., Kaidar B., Mansurov Z., Kerimkulova A., Umbetkaliev K., Zakhidov A., Vorobyev P., Jumadilov T. Compositional fibers based on coal tar mesophase pitch obtained by electrospinning method // Chemistry and Chemical Technology. -2021. –Vol. 15. –No 3. –P. 403-407. https://doi.org/10.23939/chcht15.03.403
10. Tursynbek S., Zarko V.E., Glotov O.G., Kiskin A.B., Korchagin M.A., Mansurov Z.A., Surodin G.S., Umbetkaliev K.A. Combustion Study of Gas-Generating Compositions with Carbon Powder Additives // Russian Journal of Physical Chemistry B. -2020. –Vol. 14. –No 3. –P. 407-412. https://doi.org/10.1134/S1990793120030112
Патенты
1. Jarvis R.W., Paskalov G.Z., Harmison B.K., Ustimenko A.B., Mosse A.L., Messerle V.E. Systems and methods for the production of hydrogen and carbon. United States Patent App. No. 17/891,418. – Pub. No.: US 2023/0060028 A1, February 23, 2023. https://www.freepatentsonline.com/y2023/0060028.html
2. Мессерле В. Е., Устименко А. Б. Способ сжигания пылеугольной смеси // Патент ПМ KZ 4614, 24.01.2020, бюл. №3.
Основные проекты и исследования
Плазменная технология получения водорода из углеводородных газов
Сроки реализации: 2022–2024
Цели: Целью проекта является разработка, исследование и установление закономерностей метода плазмохимического пиролиза углеводородных газов.
Результаты:
- Выполнен термодинамический анализ процессов плазменного пиролиза углеводородных газов с использованием универсальной программы термодинамических расчетов TERRA.
- Разработано техническое решение по осуществлению плазменной технологии получения водорода из углеводородных газов.
- Выполнены кинетические расчеты пиролиза метана и пропанобутановой смеси в плазмохимическом реакторе.
- Разработан и изготовлен опытный плазмохимический реактор для пиролиза углеводородных газов с получением экологически чистого водорода и технического углерода.
- Проведены экспериментальные исследования процесса пиролиза углеводородных газов в плазмохимическом реакторе.
- В результате экспериментальных исследований, основным компонентом газовой фазы является водород, с максимальной концентрацией 98%, а также технический углерод, представленный в виде наноструктурированных композитов.
Перспективные разработки и инновации
Технология плазмохимической переработки жидких углеродсодержащих отходов:
Разработка позволит утилизировать отработанные горюче-смазочные материалы с получением горючего газа и нейтрального неорганического твердого остатка для нефтеперерабатывающей промышленности и топливно-энергетического комплекса. Освоение плазмохимической технологии переработки отработанных горюче-смазочных материалов должно позволить получать целевой продукт – горючий газ, пригодный для производства электрической и тепловой энергии и химического синтеза ценных продуктов. Плазмохимическая технология характеризуется высоким экспортным потенциалом. Кроме того, реализация данной технологии в значительной мере должна снизить количество отработанных жидких углеродсодержащих отходов путём их плазмохимической переработки и уменьшить негативное воздействие на окружающую среду.
Команда
Умбеткалиев Куаныш Аскарович – доктор PhD, заведующий лабораторией.
Научные интересы: Экспериментальные исследования плазменной переработки твердых топлив.
Достижения: Автор 40 научных публикаций. Индекс Хирша – 3.
Контакты: umbetkaliev@mail.ru, тел.: +7 (777) 150-50-45
Мессерле Владимир Ефремович – доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник, действительный член Международной энергетической Академии и Международной Академии информатизации.
Научные интересы: Создание научно-технических основ применения электродуговой плазмы в энергетике, металлургии, химической промышленности и проектирования плазменного оборудования для осуществления технологий комплексной переработки минерального и органического сырья, а также математическое моделирование плазменных технологий топливоиспользования и утилизация отходов различного происхождения.
Достижения: Автор более 800 научных публикаций и руководитель гранта по разработке плазменной технологии получения водорода. Индекс Хирша – 18.
Контакты: ust@physics.kz, тел.: +7 (777) 147-13-01
Устименко Александр Бориславович – доктор технических наук.
Научные интересы: Кинетическое и математическое моделирование плазменных процессов, происходящих под воздействием плазмы.
Достижения: Индекс Хирша – 18.
Контакты: ust@physics.kz, тел.: +7 (777) 228-14-29
Научное оборудование и технологии
Газовый хроматограф
Модель: Хроматэк-Газохром 2000
Возможности: Анализ многокомпонентного состава отходящих и горючих газов, хроматограф может выполнять измерения даже в полевых условиях при отсутствии напряжения 220В.
Применение: Анализ многокомпонентного газа на H₂, O₂, N₂, CO, CO₂, CH₄.
Доступность: Доступен для сотрудничества с внешними партнёрами по договорённости.
Партнёрские связи и совместные проекты
Лаборатория сотрудничает со следующими научными и специализированными организациями:
- Восточно-Сибирский Государственный Университет Технологий и Управления МОН РФ
- Институт Физического Материаловедения СО РАН
- Институт Теплофизики СО РАН
- Applied Plasma Technologies Inc. (США)
- Plasma Microsystem LLC (США)
- Институт Тепло-массообмена им. Лыкова (Белоруссия)
- Отраслевой Центр плазменно-энергетических технологий РАО «ЕЭС России»
- АО СИБЭНЕРГОГРУП (Россия)
- ЗАО «ЗиО-КОТЭС» (Россия)
- Institute of Combustion Technology DLR (Германия)
- Сибирский Федеральный Университет (Россия)
- Институт Новых Энергетических Технологий (Россия)
- Университет Сплита (Хорватия)
Награды и признание
Информация о наградах сотрудников лаборатории будет добавлена по мере поступления данных.
Иная информация
Лаборатория оснащена современным оборудованием для проведения исследований в области плазмохимии и готова к сотрудничеству с научными и промышленными партнёрами для решения актуальных задач в энергетике, металлургии и химической промышленности.