СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ, ВЫДЕЛЯЮЩЕЙСЯ В ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ, В МЕХАНИЧЕСКУЮ РАБОТУ Российский патент 2008 года по МПК F01K23/04 

Изобретение относится к энергетике, а конкретно к преобразованию энергии, выделяющейся в экзотермическом процессе при переработке углеродсодержащего сырья, включая газы, промышленные и бытовые отходы, с целью получения товарной энергии и/или товарной химической продукции в промышленных масштабах, используя экзотермические циклические процессы, посредством газификации твердого или жидкого сырья, или конверсии (риформинга) газообразного углеводородного сырья, с последующей повторной газификацией или конверсией нецелевых продуктов и регенерации полученных соединений, для их повторного использования в циклическом процессе.

Циклические процессы хорошо известны в природе. К ним можно отнести, например, круговорот воды, орнитиновый цикл позвоночных и беспозвоночных животных [1, т.3, С.280-281], промышленное производство мочевины, нитрозный метод производства серной кислоты, для бытового и промышленного теплоснабжения [1, т.1, С 785, т.4, С 647]. Вместе с тем энергия, получаемая в циклических процессах, как это следует из известного уровня техники, не использовалась ранее для осуществления работы тепловых двигателей, несмотря на то, что ее использование существенно повысило бы кпд процессов в целом.

Наиболее известным и наиболее распространенным способом получения механической энергии, путем переработки углеродсодержащего сырья, является его сжигание. Горение - нециклический химический процесс, при котором превращение вещества сопровождается интенсивным выделением энергии и тепло-массообменом с окружающей средой. При этом преобразование химической энергии в механическую происходит в тепловом двигателе.

Существующие в настоящее время тепловые двигатели делятся на три основных типа:

- паровые (М.И.Ползунов, 1763 г., Дж.Уатт, 1774-84 гг.) - горение происходит вне двигателя. Химическая энергия горения передается воде в котлоагрегате, вода превращается в водяной пар (рабочее тело), который поступает в двигатель, расширяется и производит механическую работу;

- двигатели Стирлинга (Р.Стирлинг, 1816-40 гг.) - или двигатели внешнего сгорания. Рабочее тело (водород или гелий) постоянно находятся в замкнутом пространстве и изменяет свой объем при нагревании одной из стенок. Нагревание осуществляется за счет внешнего горения топлива, а охлаждение - за счет расширения рабочего тела;

- двигатели внутреннего сгорания (Э.Ленуар, 1860 г.) - топливо сгорает внутри двигателя. Рабочее тело - смесь продуктов горения (диоксид углерода, водяной пар, азот и др.), имеющих высокую температуру и давление. Рабочее тело расширяется и производит механическую работу.

Во всех трех случаях продукты горения выбрасываются в окружающую среду, нанося серьезный ущерб ее экологии.

Известные современные методы получения тепловой энергии основаны или на непосредственном сжигании твердых, жидких или газообразных углеродных веществ, или на сжигании газов, полученных в результате газификации твердых и жидких углеводородных топлив, включая отходы [2-4], или на сжигании водорода.

Недостатки этих методов, при всем их многообразии, имеют общий характер и заключаются в следующем:

- невозможность переработки отходов с содержанием в них воды более 70%;

- теоретический кпд процессов лучших теплосиловых установок не превышает 75%, а эффективный - 55%;

- продукты сгорания, выбрасываемые в атмосферу, усугубляют напряженную экологическую обстановку в окружающей среде и создают проблемы для существования самой жизни на Земле;

- природные, невозобновляемые топливно-энергетические ресурсы используются малоэффективно;

- биомасса растений и продуктов жизнедеятельности человека и животных используются для получения энергии эпизодически и малоэффективно.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании, является способ преобразования химической энергии, полученной в циклическом термохимическом процессе, в механическую энергию, согласно которому смесь водорода и оксида углерода в молярном соотношении 3:1 подается из емкости в реактор-метанатор, в котором в ходе каталитической реакции образуется смесь метана и водяного пара (рабочее тело) и подается в двигатель, в результате расширения смеси вырабатывается механическая энергия. Отработавшая метанопаровая смесь направляется в систему охлаждения газоохлаждаемого высокотемпературного атомного реактора, где превращается в исходный водород и оксид углерода, цикл замыкается (PCT/NO 2003/000133).

Данный способ позволяет значительно, по сравнению с известными, повысить кпд процесса преобразования энергии, однако и он обладает следующими недостатками:

- газоохлаждаемый высокотемпературный атомный реактор еще не создан;

для обеспечения цикличности процесса необходим независимый, высокотемпературный источник тепловой энергии, обеспечивающий протекание эндотермического процесса паровой конверсии метана;

- способ может быть реализован только в стационарных условиях, и в непосредственной близости от высокотемпературного источника энергии;

- способ не позволяет использовать другие виды углеродсодержащего сырья;

- способ не позволяет создавать автономные и транспортные двигатели.

Задача, положенная в основу заявляемого изобретения, заключается в создании способа преобразования энергии, выделяющейся в экзотермическом процессе при переработке углеродсодержащего сырья, включая газы, промышленные и бытовые отходы, в механическую работу, свободного от отмеченных выше недостатков, присущих упомянутым техническим решениям, представляющим известный уровень техники.

Технический результат, достигаемый в процессе реализации предложенного способа, заключается в существенном повышении кпд процесса преобразования, при этом для переработки может быть использовано любое без исключения содержащее углерод сырье, или сырье с добавкой углерода или углеводорода, переработка которого экономически целесообразна, а весь процесс преобразования осуществляется без выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду.

Задача, положенная в основу заявляемого изобретения, с достижением указанного выше технического результата, решается тем, что в известном способе преобразования энергии, выделяющейся в экзотермическом процессе, в механическую работу, включающем подачу исходного сырья в первый реактор, взаимодействие компонентов сырья в экзотермическом процессе, в результате которого образуется смесь газов - рабочее тело, в процессе расширения которого в двигателе производится механическая работа, при этом часть отработанного рабочего тела направляется на регенерацию и последующую подачу в первый реактор, в соответствии с изобретением, в качестве исходного сырья, подаваемого в первый реактор, используется любое природное или синтетическое углеродсодержащее сырье, которое подвергается в первом реакторе автотермической или термической газификации, или конверсии газообразного сырья с образованием водорода и оксида углерода, которые отделяются от сопутствующих продуктов и подаются в реактор-метанатор, в котором в процессе каталитической реакции образуется метанопаровая смесь - рабочее тело, подаваемая в двигатель, преобразующий энергию химического процесса в механическую энергию, а отработанная в двигателе метанопаровая смесь возвращается в первый реактор, если в качестве сырья используется газ, или в дополнительный реактор, если используется твердое или жидкое сырье, в котором метанопаровая смесь вновь превращается в водород и оксид углерода и подается в реактор-метанатор;

- а также тем, что в качестве природного или синтетического, углеродсодержащего сырья, используется или диоксид углерода, или карбиды и карбонаты, или отходы, или сточные воды;

- а также тем, что каталитическая реакция между водородом и оксидом углерода осуществляется при температуре от 600 К до 1400 К и давлении 0,6-20,0 МПа;

- а также тем, что выделившиеся в процессе автотермической или термической газификации, или конверсии газообразного сырья водород и оксид углерода отделяются от сопутствующих продуктов;

- а также тем, что в качестве двигателя может использоваться или роторный двигатель, или поршневой двигатель, или роторно-поршневой двигатель, или турбина;

- а также тем, что работа упомянутых реакторов и двигателя осуществляется без выброса газообразных продуктов в окружающую среду;

- а также тем, что при малом количестве расходуемого исходного сырья обеспечивается любая заданная мощность двигателя за счет накопления водорода и оксида углерода;

- а также тем, что процесс работы двигателя на исходном углеродсодержащем сырье осуществляется без сжигания этого сырья;

- а также тем, что при определенной температуре, определяемой свойствами катализаторов, термическая конверсия отработанного метана осуществляется без потребления кислорода;

- а также тем, что для газификации водных смесей углеродсодержащего сырья используется плазмотрон в виде плазменной горелки;

- а также тем, что при утилизации исходного сырья кроме энергии производится заданная химическая продукция в количестве, соответствующем содержанию элементов в перерабатываемом сырье.

Предлагаемый способ преобразования энергии, включающий циклические технологии переработки углеводородного сырья, предназначен для высокоэффективного получения электрической и тепловой энергии, а также для высокоэффективного (с кпд до 95%) производства химической продукции и энергии, в случае создания энергохимических предприятий, без выбросов газообразных продуктов горения, загрязняющих атмосферу.

После термической или автотермической газификации или конверсии исходного сырья полученная смесь водорода и оксида углерода, которая является основным реагентом и энергоносителем, используется без сжигания для получения энергии или энергии и химических веществ за счет каталитического экзотермического процесса образования метана или других соединений.

Образовавшаяся метанопаровая смесь или смесь других органических соединений, охлажденная, например, в расширительной турбине, вновь подвергается конверсии с образованием водорода и оксида углерода, обеспечивая, таким образом, циркуляцию энергоносителя в системе.

Повторной конверсии или газификации подвергаются также все продукты, образовавшиеся в результате побочных реакций, продукты, полученные в результате неполной газификации и нецелевые продукты, полученные в органическом синтезе.

Для переработки может быть использовано любое, без исключения, содержащее углерод сырье или сырье с добавкой углерода или углеводорода, переработка которого экономически целесообразна (например, соленая морская вода) или необходима по экологическим соображениям, например, больничные отходы, трупы больных животных, пропитанная нефтепродуктами или токсичными веществами почва, отвалы углеобогатительных производств, смесь воды и нефтепродуктов или иных углеводородов (с содержанием воды до 99,9%), нефтешламы, газы и смеси газов, содержащие углеводороды и оксид или диоксид углерода, торф, сланцы, бурые и каменные угли, асфальт, природные и технологические газы, нефтепродукты и сырая нефть и т.п.

Предложенный способ, в самом общем виде, реализуется следующим образом. Твердое или жидкое сырье, содержащее углерод или углеводороды, подвергается газификации в термическом или автотермическом режиме любым известным способом, подходящим для данного вида сырья, а газообразное сырье подвергается конверсии (риформингу) с целью получения максимального количества водорода и оксида углерода;

- водород и оксид углерода отделяются, если необходимо, от сопутствующих продуктов и подвергаются (полностью или частично) каталитической конверсии (риформингу) при температуре от 600 К до 1400 К и давлении 0,6-10 МПа (в зависимости от типа используемого двигателя) с образованием метанопаровой смеси;

- сопутствующие продукты - газы (кроме азота), жидкости, пыль и, возможно, сажа - направляются на повторную газификацию;

- метанопаровая смесь - рабочее тело в двигателе - поступает в расширительную (детандерную) турбину или иной двигатель и совершает работу;

- вышедшая из турбины или двигателя смесь подвергается парокислородной или парокислородноуглекислотной конверсии в автотермическом режиме, в результате которой вновь образуется смесь газов, состоящая из водорода и оксида углерода, то есть цикл замыкается;

- избыточная тепловая энергия, выделяющаяся в реакторах и поступающая в блок очистки и разделения газов, утилизируется в котлах-утилизаторах, пар поступает в турбины, а горячая вода - в теплосеть;

- в случае конверсии какой-то части водорода и оксида углерода, неконвертированная часть направляется для синтеза заданных химических соединений (метиловый и этиловый спирты, диметиловый эфир, алканы, парафины, искусственное топливо, масла, альдегиды, этилен, пропилен и многие другие);

- не прореагировавшая в процессе синтеза часть водорода и оксида углерода и сопутствующие нецелевые продукты направляются в реактор для конверсии, то есть цикл замыкается;

- отделенный азот и, возможно, аргон, фасуется или, если они выделяются в незначительном количестве, возвращается в окружающую среду;

- твердые шлаки используются при строительстве дорог или подлежат захоронению в установленном порядке.

Предложенный способ позволяет перерабатывать любое количество сырья (от нескольких грамм до нескольких сотен тысяч тонн в сутки) и может быть использован для осуществления работы любого теплового двигателя известной конструкции (турбины, роторные, поршневые, роторно-поршневые и др.), а также обеспечивать работу двигателей практически на любом виде топлива (твердое, жидкое, газообразное) и/или одновременно производить химическую продукцию, в том числе чистую воду, обеспечивая производство и потребителей необходимым количеством энергии.

Далее будут приведены примеры, которые не являются ограничениями заявленного способа, а только лишь показывают несколько возможных практических реализации заявленного способа.

Пример 1.

Перерабатываемое сырье - природный газ. Это один из самых простейших вариантов реализации предлагаемого способа. Установки малой мощности могут использоваться на транспортных средствах. Схема процесса представлена на фиг.1. Способ реализуется следующим образом.

Природный газ из хранилища или баллона поступает в реактор конверсии (риформинга) 1, в котором происходит каталитическая автотермическая парокисло-родная конверсия природного газа при температуре 1100-1372 К с образованием, в основном, водорода, оксида углерода и незначительного количества диоксида углерода (менее 5%). Образовавшиеся газы после очистки и разделения или непосредственно из реактора конверсии (риформинга) 1 поступают в реактор-метанатор 2, в котором происходит каталитическая экзотермическая реакция между газами с образованием метанопаровой смеси. Процесс проводят известным способом при давлении от 6 до 10 МПа, при этом развивается температура около 1400 К. Для турбины давление выбирают около 10 МПа, для роторного двигателя - 6-8 МПа, для поршневого двигателя - 1-5 МПа. Метан опаровая смесь (рабочее тело) поступает в двигатель 3, расширяется и производит работу. Отработавшая смесь вновь поступает в реактор 1 для повторной конверсии. Цикл замыкается. При большом количестве перерабатываемого сырья все реакторы оборудуются котлами-утилизаторами и дополнительными паровыми турбинами.

Теоретически в этом процессе расходуется кислород, незначительное количество воды для запуска установки и катализаторы, которые отравляются в процессе работы и подлежат периодической замене или регенерации. Однако практическая эксплуатация свидетельствует, что существуют непредусмотренные утечки до 0,15% в сутки. Расход кислорода для запуска процесса составляет 0,5-0,6 м³ на 1 м³ газа (в зависимости от состава газа), расход пара - 0,8 кг на 1 кг газа. Выход смеси водорода и оксида углерода составляет 2,84-2,86 кг на 1 кг метана или около 2,1 м³ на 1 м³ метана при конверсии СО₂, который образуется в системе.

Поскольку процесс конверсии метана обратим, в качестве сырья можно использовать смесь водорода и оксида углерода, полученную в стационарных условиях (на металлургических, нефтеперерабатывающих и химических предприятиях). Схема такого процесса представлена на фиг.1а.

Смесь газов из баллонов или хранилища поступает в реактор-метанатор 2, в котором происходит образование метана, из реактора 2 смесь поступает в двигатель 3, а из двигателя - в реактор конверсии (риформинга) 1, в котором метанопаровая смесь (рабочее тело) вновь превращается в смесь водорода и оксида углерода, которые возвращаются в реактор-метанатор 2. Цикл замыкается.

Расчет мощности двигателя, работающего по приведенному на схемах методу получения энергии, производим по формуле:

где N - мощность, Вт;

k - показатель адиабаты;

R - удельная газовая постоянная, Дж/(кг·К);

Т - абсолютная температура метанопаровой смеси на входе в двигатель (турбину), К;

р_вх - давление парогазовой смеси на входе в турбину, Па;

р_вых - давление парогазовой смеси на выходе из турбины, Па;

n - расход рабочего тела, кг/с.

Исходные данные, принимаемые для расчета:

- тип двигателя - турбина;

- р_вх=10 МПа - давление парогазовой смеси на входе в турбину;

- р_вых=0,11 МПа - давление парогазовой смеси на выходе из турбины;

- Т=1400 К - температура парогазовой смеси на входе в турбину;

- μ_М=16,04 - молекулярная масса метана;

- μ_n=18,016 - молекулярная масса водяного пара при Т=1400 К и р=10 МПа;

- μ_Mn=17,028 - молекулярная масса метанопаровой смеси;

- С_р,n=2,620 кДж/(кг·К) - теплоемкость при постоянном давлении водяного пара при T=1400 К и р=10 МПа;

- С_р,M=5,251 кДж/(кг·К) - теплоемкость при постоянном давлении метана при T=1400 К и p=10 МПа;

- R_Mn=488,3 Дж/(кг·К) - удельная газовая постоянная метанопаровой смеси;

- С_p,Mn=3,857 кДж/(кг·К) - теплоемкость при постоянном давлении метанопаровой смеси;

- C_V,Mn=C_р,Mn-R_Mn=3,369 кДж/(кг·К) - теплоемкость при постоянном объеме метанопаровой смеси;

- - показатель адиабаты для метанопаровой смеси.

Принимая расход n=1 кг/с, получаем мощность N=2,35 МВт. Для сравнения: турбина, работающая на перегретом паре, при тех же параметрах имеет мощность 1,95 МВт. Температура выхлопа по формуле: равна 791 К.

Если процесс каталитического риформинга метана проводить при температурах 1023-1143 К, то при давлении выхлопа от 0,51 до 1,24 МПа отработавшие газы будут иметь указанную же температуру. В этом случае не потребуется расходовать кислород и достаточно будет ограничиться паровым каталитическим риформингом (конверсией), т.к. температуру в реакторе будут обеспечивать отработавшие газы.

После запуска процесса расходным материалом будет только катализатор, который отравляется в процессе эксплуатации. Водяной пар и газ будут расходоваться лишь для компенсации возможных утечек и пополнения системы за счет отделения не участвующих в реакции газов (азот, аргон и др.).

При вышеприведенных параметрах процесса и давлении газов после турбины 0,84 МПа мощность двигателя будет равна 1,46 МВт. Количество энергии, выделенной в процессе, определяется из реакций:

СО+3Н₂→СН₄+Н₂О+206,2 кДж/моль и

СН₄+0,5O₂→СО+2H₂+34 кДж/моль.

Суммарная подведенная тепловая мощность процесса составляет 12,12+2,512=14,242 МВт, Внутренний термический кпд циклического процесса в первом случае составляет 0,165.

Во втором случае (при мощности 1,46 МВт) подведенная тепловая мощность составляет 12,12 МВт, а внутренний кпд 0,12.

Внутренний кпд цикла Карно рассчитываем по формуле: . В первом случае он составляет 0,44, во втором - 0,27.

При использовании водогрейного котла мощность увеличится на 1,055 МВт и кпд составит 0,24, а кпд цикла Карно - 0,687.

При большом объеме перерабатываемого газа метод реализуется по схеме, показанной на фиг.1б, которая дополняется блоком реакторов синтеза 4 заданной продукции, котлами-утилизаторами 5-8 с турбогенераторами, а реактор конверсии 1 и реактор-метанатор 2 могут иметь пароперегреватели. Непрореагировавшие газы и нецелевые продукты возвращаются на риформинг в реактор 1, возможно, через расширительную турбину (на фиг.1б не показана). При этом наряду с электроэнергией (2,7 кВт·ч на 1 норм. м³ газа), одновременно будет производиться заданная химическая продукция, например метиловый спирт, в количестве 1,015 кг на 1 норм. м³ газа. Кпд процесса, определенный по количеству энергии, заключенной в полученной продукции, составляет 0,914.

Пример 2.

Перерабатываемое сырье - твердые или жидкие углеводороды или отходы, содержащие углерод, углеводороды или углеводы. Схема представлена на фиг.2, 2а, 2б. Способ реализуется следующим образом.

Сырье после соответствующей подготовки по принятой (известной) технологии загружается в реактор-газификатор 9, предназначенный для переработки твердого или жидкого сырья, в котором происходит газификация под действием пара и кислорода. Шлак выгружается. Полученный газ, который состоит в основном из водорода и оксида углерода, а также углеводородов (газов - до 6-8%, жидкостей - менее 1%), поступает в блок очистки и разделения 10. Отделенные в блоке 10 углеводороды, пыль и, возможно, сажа, возвращаются в реактор-газификатор 9, а смесь водорода и оксида углерода - в реактор-метанатор 2, в котором происходит каталитическая экзотермическая реакция между компонентами смеси с образованием метанопаровой смеси. Метанопаровая смесь подается в двигатель 3, расширяется и совершает работу. Из двигателя 3 отработавшая смесь поступает в реактор конверсии 1, в котором вновь превращается в водород и оксид углерода, а затем либо полностью возвращается в реактор-метанатор 2 и цикл замыкается, либо полностью или частично поступает в блок 4, а частично возвращается в реактор-метанатор 2. Наличие отдельного реактора конверсии 1 позволяет накапливать реакционную смесь и увеличить мощность энергоустановок при небольшом количестве перерабатываемого сырья. В блоке 4 происходит синтез заданных органических соединений, которые затем отгружаются потребителю, а нецелевые продукты и продувочные газы через двигатель 11 (расширительную турбину) поступают непосредственно в реактор конверсии 1. Полученные в реакторе конверсии 1 водород и оксид углерода, вновь подаются в реактор-метанатор 2 для образования метанопаровой смеси. Цикл замыкается.

Для полного использования энергии, выделяющейся в данном цикле (фиг.2а), все реакторы 1, 2, 9 и блок очистки и разделения 10 имеют котлы-утилизаторы 6, а реактор 9 и, возможно, 2 - пароперегреватели 9 (на фиг.2а не показаны). Полученный в котлах-утилизаторах 6 пар подается в турбину 12.

В транспортном варианте силовой установки из приведенной на фиг.2 схемы процесса исключаются: блок 4, в котором осуществляется синтез органических соединений, а также реактор конверсии 1 - и метанопаровая смесь из двигателя 3 поступает непосредственно в реактор-газификатор 9.

При большом количестве перерабатываемых отходов (от нескольких сот до нескольких тысяч тонн в сутки) в схеме, изображенной на фиг.2а, для использования энергии продувочных газов, поступающих из блока реактора синтеза 4, целесообразно устанавливать дополнительную расширительную турбину 11, реактор конверсии 1 и реактор конверсии газообразных и жидких углеводородов 13. В полном виде схема реализации способа в таком варианте приведена на фиг.2б.

Приведенный в данном примере один из возможных вариантов реализации заявленного способа позволяет перерабатывать от нескольких килограмм до нескольких сотен тысяч тонн сырья в сутки. В зависимости от вида перерабатываемого сырья количество получаемого газа колеблется от 1-1,5 м³/кг для низкосортного бурого угля и бытовых отходов, до 3-3,5 м³/кг для мазута, нефтяных остатков и сырой нефти.

Если описанный в примере способ используется для переработки постоянно поступающих отходов, то необходимо либо выпускать химическую продукцию, либо увеличивать мощность энергоустановки до тех пор, пока количество перерабатываемых отходов не будет полностью компенсировать возможные потери в цикле, поскольку иным способом нельзя предотвратить выброс газообразных продуктов в атмосферу.

Расход перерабатываемого сырья будет определяться чистотой циркулирующих реагентов и количеством инертных, не поддающихся газификации компонентов (азот, аргон). Расчет мощности проводим по формуле, приведенной в примере 1. Перерабатываемое сырье - бурый уголь. Расход пара на газификацию составляет 0,5 кг на 1 кг угля, расход кислорода - 0,395 кг на 1 кг угля. Исходные данные для расчета:

- выход метилового спирта (метанола) - 0,41 кг на 1 кг угля;

- энтальпия сгорания угля - 15,85 МДж/кг;

- температура процесса газификации - 1173 К;

- давление газификации - 2 МПа;

- температура процесса образования метана - 1400 К;

- давление процесса образования метана - 10 МПа;

- давление процесса синтеза метанола - 8 МПа;

- температура на выходе из блока реакторов синтеза метанола - 543 К;

- давление острого пара - 3 МПа;

- энтальпия острого пара - 3390 кДж/кг;

- давление пара промежуточного перегрева - 2,1 МПа;

- энтальпия пара промежуточного перегрева - 3450 кДж/кг;

- давление пара низкого давления - 1,2 МПа;

- количество газа, образующегося при газификации - 1,624 кг на 1 кг угля;

- количество продувочных газов в блоке реакторов синтеза метанола - 0,451 кг на 1 кг угля;

- процентное содержание газов в продуктах газификации:

водород - 33%, оксид углерода - 27,9%, диоксид углерода - 14,9%, водяной пар - 2,6%, метан - 1,32%, оксид серы - 0,1%, оксид азота - 0,18%;

- количество острого пара на паровую турбину при газификации угля - 0,78 кг на 1 кг угля;

- количество пара промежуточного перегрева на паровую турбину при газификации угля - 0,70 кг на 1 кг угля;

- количество пара низкого давления на паровую турбину при газификации угля - 1,07 кг на 1 кг угля.

Полученные результаты расчета:

- количество электроэнергии, вырабатываемой паровой турбиной при газификации 1 кг угля - 0,58 кВт·ч;

- количество электроэнергии, вырабатываемой турбиной при газификации 1 кг угля - 0,69 кВт·ч;

- суммарное количество энергии, вырабатываемой из газа, полученного в результате газификации 1 кг угля - 13,72 МДж;

- энергетический кпд процесса - 0,866.

Пример 3.

Перерабатываемое сырье - смесь воды, непригодной для питья (соленая вода; промышленные и бытовые сточные воды и др.) и любых углеродсодержащих соединений (углеводороды; сажа; угольная пыль; торф; сланцы, лигнин; все без исключения промышленные и бытовые отходы; газы, включая СО₂ и др.). Схема процесса представлена на фиг.3. Способ реализуется следующим образом.

Если вода не содержит органических веществ, то она предварительно смешивается с измельченными твердыми, или жидкими, или газообразными, или со всеми одновременно углеродсодержащими продуктами, после чего подвергается диспергированию в блоке 14 и подается распылительной форсункой 15 в струю плазмы плазменной горелки 16, установленной в котле-реакторе 17 (плазмообразующее вещество - пары воды, СО₂ или смесь СО₂ с парами воды). Количество подаваемой форсункой 15 смеси должно быть таким, чтобы обеспечить в реакционной зоне котла-реактора 17 температуру порядка 2000-3650 К и давление до 15 МПа, в зависимости от элементного состава примесей в перерабатываемой воде. При этой температуре неорганические вещества оплавляются, выпадают в осадок и утилизируются. Органические и металлорганические вещества подвергаются паровой конверсии с образованием оксида углерода и водорода. Образовавшаяся газовая смесь поступает в двигатель (турбину) 3, а пар из котла-реактора 17 - в паровую турбину 12. После выхода из двигателя (турбины) 3 через паровой котел 6, газы разделяются в разделителе газов 20. Оксид углерода и водород направляются в накопитель 22 заданного объема. Пары воды конденсируются в конденсаторе водяного пара 19 и вода направляется в систему водоснабжения и водоподготовки в блок 21, после которой поступает потребителям. Азот и аргон направляются в хранилище 23 для последующего использования потребителями.

Поступление СО и Н₂ в накопитель 22 водорода и оксида водорода происходит непрерывно, в течение всего времени работы установки. Из накопителя 22 СО и Н₂ поступают в заданных количествах в реактор-метанатор 2 и в блок реакторов синтеза 4. Из реактора-метанатора 2 метано-паровая смесь поступает в дополнительную расширительную турбину 11, далее в паровой котел 6 или, минуя его, возвращается на автотермическую конверсию в реактор конверсии 1, или через паровой котел 6, минуя реактор конверсии 1, на диспергирование в блок диспергирования 14. Водородно-оксидуглеродный цикл замыкается. Количество циркулирующих оксида углерода и водорода определяется заданной мощностью энергетического блока, которая рассчитывается, исходя из потребностей региона и удовлетворения собственных нужд. Из блока реакторов синтеза 4 продукция поступает на товарный склад и затем отгружается потребителям.

При переработке сточных вод и вод, загрязненных органическими веществами, выпуск химической органической продукции обязателен, поскольку участвующие в цикле вещества теоретически не расходуются. При использовании способа для опреснения воды может производиться только неорганическая продукция.

Исходные данные для расчета:

- мощность плазменной горелки при расходе воды 1 л/с - 24,3 МВт;

- количество тепла, ежесекундно подводимого к котлу-реактору 17 при кпд горелки 0,95-22,91 МДж;

- температура водяного пара на входе в паровую турбину 12 - 1623,2 К;

- давление пара на входе в паровую турбину 12 - 15 МПа;

- давление пара на выходе из паровой турбины 12 - 0,11 МПа;

- количество тепла, необходимое для испарения 1 кг воды и нагрева 1 кг водяного пара до 1623,2К - 6,6 МДж;

- мощность двигателя (турбины) 3 при расходе метанопаровой смеси 1 кг/с - 2,35 МВт.

Полученные результаты расчета;

- количество воды и пара, нагреваемых выделенным теплом до температуры 1623,2К - 4,47 кг;

- суммарная мощность турбин - 13,56 МВт;

- количество неиспользованного для производства электроэнергии тепла (поступает в теплосеть) - 10,8 МДж;

- расход метанопаровой смеси через двигатель (турбину) 3 для компенсации неиспользованного тепла - 4,6 кг/с.

Производимая продукция: дистиллированная вода, электроэнергия, тепловая энергия, неорганические шлаки, продукты органического и неорганического синтеза.

Источники информации

1. Химическая энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1988-1998, т.1-5.

2. Манелис Г.Б., Полианчик Е.В., Фурсов В.П. Энерготехнологии сжигания на основе явления сверхадиабатических разогревов. Химия в интересах устойчивого развития, 2000, №8, с.537-545.

3. Манелис Г.Б., Фурсов В.П., Стесик Л.Н. и др. Способ переработки отходов, содержащих углеводороды, патент RU №2116570 C1, F23G 7/00, 7/05; 1998.

4. Манелис Г.Б., Фурсов В.П., Полианчик Е.В. Способ переработки горючих твердых бытовых отходов, патент RU №2150045, 1998.

5. Клер A.M., Тюрина Э.А. Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза метанола. Новосибирск: Наука, 1998 - 127 с.

6. Степанов B.C. Химическая энергия и эксергия веществ. Новосибирск: Наука, 1990 - 163 с.

7. Гурвич Л.В., Карачевцев Г.В. и др. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. М.: Наука, 1974 - 351 с.

8. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972 - 780 с.

Изобретение относится к энергетике. В способе преобразования энергии, выделяющейся в процессе термохимической реакции, в механическую работу, включающем подачу исходного сырья в первый реактор, взаимодействие компонентов сырья в экзотермическом процессе, в результате которого образуется водород и оксид углерода, которые подают в реактор - метанатор, в котором посредством каталитической реакции образуют рабочее тело - метанопаровую смесь, при расширении которой в двигателе производят механическую работу, а отработанное рабочее тело направляют на регенерацию и последующую подачу в первый реактор, исходное сырье в первом реакторе подвергают автотермической или термической газификации с отделением водорода и оксида углерода, подаваемых в реактор - метанатор от сопутствующих продуктов, а каталитическую реакцию между водородом и оксидом углерода осуществляют при температуре от 600 К до 1400 К и давлении 0,6-20,0 МПа. Изобретение позволяет повысить кпд процесса преобразования энергии. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ преобразования энергии, выделяющейся в процессе термохимической реакции, в механическую работу, включающий подачу исходного сырья в первый реактор, взаимодействие компонентов сырья в экзотермическом процессе, в результате которого образуется водород и оксид углерода, которые подают в реактор - метанатор, в котором посредством каталитической реакции образуют рабочее тело - метанопаровую смесь, при расширении которой в двигателе производят механическую работу, а отработанное рабочее тело направляют на регенерацию и последующую подачу в первый реактор, отличающийся тем, что исходное сырье в первом реакторе подвергают автотермической или термической газификации с отделением водорода и оксида углерода, подаваемых в реактор - метанатор от сопутствующих продуктов, а каталитическую реакцию между водородом и оксидом углерода осуществляют при температуре от 600 до 1400 К и давлении 0,6-20,0 МПа.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве двигателя используют или роторный двигатель, или поршневой двигатель, или роторно-поршневой двигатель, или турбину.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что работу упомянутых реакторов и двигателя, осуществляют без выброса газообразных продуктов в окружающую среду.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при малом количестве расходуемого исходного сырья, обеспечивают любую заданную мощность двигателя за счет накопления водорода и оксида углерода.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс работы двигателя на исходном углеродсодержащем сырье осуществляют без сжигания этого сырья.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определенной температуре, определяемой свойствами катализаторов, термическую конверсию отработанного метана осуществляют без потребления кислорода.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для газификации водных смесей углеродсодержащего сырья используют плазмотрон в виде плазменной горелки.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при утилизации исходного сырья наряду с энергией производят заданную химическую продукцию.