ТОПЛИВО ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Российский патент 1995 года по МПК C10L3/00 

Изобретение относится к топливной промышленности и может быть использовано в газовых двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных установках.

Водород рассматривается как перспективное топливо для двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Это объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, водородное топливо экономично по сравнению с углеводородным. Во-вторых, водород производится атомными станциями путем электролиза воды, что обеспечивает благоприятный режим работы реактора из-за постоянной нагрузки, создавая большую безопасность АЭС.

Водородное топливо пока в производстве обходится дороже углеводородного, однако со временем по мере совершенствования технологий производства и эксплуатации водорода, а также повышения цены на углеводородное топливо (истощение запасов в природе), водород будет обходиться дешевле углеводородного топлива. Современный подход в экономической оценке, требующий учета затрат на сохранение природы, уже теперь показывает, что общие расходы при использовании водородного топлива должны быть значительно ниже, чем у углеводородных.

Применение водорода в качестве топлива (2) в ДВС с внешним смесеобразованием (обычный тип газового двигателя, находящегося в широкой эксплуатации) препятствуют две негативные особенности рабочего процесса при сгорании водорода в двигателе.

Первая - "жесткость" в работе, двигатель испытывает резкую ударную нагрузку, по своему виду напоминающую детонационную, что снижает надежность и мощность. Вторая - возгорание смеси водорода с воздухом во всасывающем патрубке, которая нарушает устойчивость работы и приводит к остановке двигателя. Считается, что эти обе особенности работы ДВС на водороде связаны с высокой скоростью сгорания водородно-воздушной смеси (до 270 м/с) по сравнению со скоростью сгорания бензиновой горючей смеси (до 30-40 м/с).

Известно топливо на основе водородобензиновой смеси (1), которому не присущи указанные недостатки, но при его использовании энергетические установки имеют сложную конструкцию, так как требуют наличия отдельных емкостей и магистралей для хранения и подачи бензина и водорода.

Предложенное топливо на основе смеси водорода с непредельными углеводородами в качестве присадок (в %) ингибирующих в процессе горения водорода не обладает недостатками, присущими указанным водородным топливам. Использование непредельных углеводородов (пропилена) в качестве не топлива, а ингибитора процесса горения Н₂ с О₂, т.е. присадки, которая обрывает реакционные цепи, не может быть приравнено к известному способу добавления к водороду насыщенных углеводородов, т.к. последние для снижения пределов воспламенения водорода до необходимого значения должны быть добавлены в больших количествах (правило Ле-Шателье), т.к. не обладают свойствами присадки, которая обрывает реакционные цепи. Отсюда экологические свойства данной топливной смеси будут значительно хуже, приближаясь к топливу на природном газе или пропане.

Целью изобретения является повышение качества топлива за счет устранения взрывного (детонационного) сгорания, уменьшения времени индукции и повышения теплотворной способности.

Поставленная цель достигается тем, что топливо содержит 0,25-1,0 воздуха в смеси с водородом, причем в указанную смесь добавлено 2,0-10,0% газообразного низкомолекулярного углеводорода (ГННУ).

Если содержание отдельных элементов в 1 кг топлива (т.е. элементарный состав) охарактеризовать весовыми долями, обозначая эти массовые доли знаками соответствующих элементов, то
С + Н + O = 1 кг
Количество воздуха, которое теоретически необходимо для сгорания топлива такого состава, выражается из стехиометрических соотношений величиной:
L_o= + - (1) Газообразное топливо является, обычно, смесью различных горючих и инертных газов. Количество воздуха, которое теоретически необходимо для сгорания 1 кг моль(м³) газообразного топлива имеет вид
L = 0,5(CO)-H₂+2CH₄+n + - c (2)
Сгорание топлива с теоретически необходимым количеством воздуха является частным случаем сгорания топлива с воздухом в энергетической установке. В других случаях на каждый кг топлива количество воздуха L, необходимого для сгорания, может быть больше или меньше теоретически необходимого L_о. В обоих случаях (при L > > L_o и L < L_о) отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому L_оназывается коэффициентом избытка воздуха
α = (3)
Расчет по формулам (1) и (2) дает следующие результаты: Топливо Водород/Н₂ 1,19 2,38 Этилен/С₂Н₄ 0,51 14,28 Пропилен/С₃Н₆ 0,51 21,43 Бутилен/С₄Н₈ 0,51 28,57
Наиболее энергоемкой, а следовательно, и наиболее опасной является смесь при α = 1.

Были проведены исследования по ингибированию воспламенения и горения водорода газообразными непредельными углеводородами именно для этого состава. В табл.1 приведены экспериментальные данные.

Начальная температура газа в реакционной камере - "бомбе" - 295 К, начальное давление смесей - 1 атм. После каждого опыта реактор откачивался до 10^-2 атм, напускался воздух и еще раз откачивался. Воспламенение регистрировали по хемилюминесценции и по скачку давления.

К аналогичному выводу приходим и на основе анализа значений Δ Р. Как известно (/1/, стр.35), температура сгорания водородо-воздушной смеси при α = 1 равна примерно 2900 К. Учитывая, что при взрывном горении теплообмен практически не успевает осуществляться, т.е. = const, находим P_к= P = 1 · . Получим Р_к 9,9 абс атм или Δ P = 8,9 атм, что по существу совпадает с экспериментальным значением Δ Р = 8,5 ати. В то же время значение Δ Р = 3,8 абс или 3,3 атм соответствует значительному снижению температуры реакции, т.е. наличию заметного ингибирующего эффекта, вызванного добавкой пропилена.

Таким образом имеется полное основание, не приближаясь к максимальному содержанию ингибирующей добавки пропилена, предотвращающей взрывное горение водородо-воздушной смеси, варьировать количеством добавки в пределах сохранения α = 1, что позволяет достичь большего процентного содержания водорода в топливе.

Были проведены эксперименты и на других соотношениях компонентов топлива и смеси, т.е. при других значениях коэффициента избытка воздуха α . Результаты экспериментов предъявлены в табл.2.

Из проведенных экспериментов следует, что положительный эффект обеспечивается при ингибирующей добавке пропилена в топливе в пределах от 2 до 27% , при этом при большем количестве ингибитора происходит полное подавление воспламеняемости, а при меньшем - существенное повышение скорости сгорания, обычно ограниченной в энергетических установках.

Для снижения времени индукции, зависящей в основном от качества смесеобразования, как установлено при экспериментах, в топливо необходимо добавить не менее 0,25 об.% воздуха, что соответствует нижнему пределу воспламенения водорода при температуре воспламенения. Добавка воздуха сверх 1% от количества водорода ведет к потере полезного объема в топливном баллоне, уже не влияя на время индукции.

Полученное топливо обладает большей как массовой, так и объемной теплотворной способностью, так как добавка пропилена (этилена или бутилена) повышает указанную способность в среднем на 18% по сравнению со смесью чистого водорода с воздухом. Топливо позволяет устойчиво работать при α < 2 вплоть до α = 0,9-1,0, повышая тем самым удельную мощность энергетической установки в 2 раза.

Изобретение относится к водородсодержащим топливам, в частности, используемым в энергетических установках. Цель - повышение эксплуатационных характеристик топлива. Для этого применяют состав, включающий, об.%: воздух 0,25 - 1; непредельный углеводород - C₁-C₄ 2 - 27 и водород до 100. Этот состав топлива снижает концентрационные пределы избытка воздуха от 0,76 до 0,59. 2 табл.

ТОПЛИВО ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК на основе водорода с добавлением воздуха и углеводорода, отличающееся тем, что, с целью повышения эксплуатационных характеристик топлива, в качестве углеводорода оно содержит непредельный углеводород C₁ - C₄ при следующем соотношении компонентов, об.%:
Воздух - 0,25 - 1,0
Непредельный углеводород C₁ - C₄ - 2 - 27
Водород - До 100