МЕТАЛЛОТЕРМИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО Российский патент 2011 года по МПК C10L8/00 C06B33/00 

Изобретение относится к нетрадиционным источникам тепловой энергии, в частности к металлотермическим топливам, используемым с целью получения тепловой энергии для бытовых и промышленных нужд.

Известно металлотермическое топливо по патенту RU № 2254359, которое по совокупности существенных признаков наиболее близко к предлагаемому изобретению и которое можно выбрать в качестве прототипа. Металлотермическое топливо содержит 40-45% окиси железа, 20-22% порошка алюминия, 30-35% окиси алюминия, остальное - гидролизованный этилсиликат. Недостаток данного состава топлива состоит в скоротечном прохождении процесса сгорания, что делает затруднительным его практическое применение в промышленных и бытовых целях.

Технической задачей данного изобретения является создание более высококалорийного по сравнению с прототипом металлотермического топлива с более длительным временем горения.

Поставленная задача решается применением в составе топлива вместо окиси железа природно-распространенной окиси хрома, которая более теплоемка. Для увеличения времени горения в состав металлотермического топлива введена химически пассивная балластная добавка - окись алюминия (глинозем). Приведенные ингредиенты способствуют практическому использованию предложенного металлотермического топлива.

Известно, что процесс горения металлотермического топлива состоит в том, что входящие в его состав ингредиенты, при нагреве до температуры возбуждения восстановительной реакции (700….800°С), вступают во взаимодействие с выделением большого количества тепла (Байков А.А. «Восстановление и окисление металлов», «Металлургия», 1926). То есть, согласно теории, любой химический элемент, стоящий впереди в ряду активности металлов, при химическом реагировании вытесняет из его окислов элемент, стоящий после него в этом ряду, и реакция сопровождается огромным тепловыделением. Такой же процесс происходит при реакция и смеси порошка окиси хрома и порошка алюминия.

Cr₂O₃+Al→Al₂O₃+Cr+Q

Количество тепла Q, выделяемого при металлотермической реакции, по расчетным данным составляет 50-80 тысяч ккал/кг, т.е в 10-18 раз больше теплового эффекта от сгорания угля, нефти, газа (Ворошнин Л.Г. «Антикоррозионные диффузионные покрытия», Минск, «Наука и техника», 1981, стр.296).

Для решения поставленной задачи и определения оптимального соотношения компонентов металлотермической смеси были проведены подробные исследования по оценке теплотворной способности объекта с изменением соотношения окиси хрома и алюминия. Для этого была спроектирована и изготовлена специальная установка по измерению температуры и времени горения металлотермической смеси.

Составы исследованных композиций и результаты измерений температуры и времени их горения приведены в таблице 1.

Таблица 1 Составы исследованных металлотермических смесей № Состав смеси, мас.% Температура среды, °С Время горения, секунды 1 90% Cr₂O₃ + 10% Al 1050 40 2 80% Cr₂O₃ + 20% Al 1960 25 3 70% Cr₂O₃ + 30% Al 2400 17 4 60% Cr₂O₃ + 40% Al 2800 12

Из этих данных можно заключить, что по температуре горения рациональное содержание алюминия составляет 20%. Все же температура сгорания этого состава (1960°C) является недопустимо высокой для топок, печей, котлов. Поэтому для снижения температуры сгорания было решено ввести в состав металлотермического топлива теплопоглотитель - балластную добавку, химически пассивную для данного восстановителя. Такой добавкой выбрана окись алюминия (глинозем).

Далее было проведено исследование теплового эффекта при сжигании смесей с оптимальным содержанием восстановителя (20% алюминия) и изменяющимся количеством теплопоглотителя (табл 2).

Таблица 2 Влияние содержания балластной добавки на температуру и время сгорания металлотермической смеси № Состав смеси, мас.% Температура, °С Время горения, с 1 70% Сr₂O₃ + 10% Al₂O₃ + 20% Al 1840 30 2 60% Сr₂O₃ + 20% Al₂O₃ + 20% Al 1610 40 3 50% Сr₂O₃ + 30% Al₂O₃ + 20% Al 1260 50 4 40% Сr₂O₃ + 40% Al₂O₃ + 20% Al 1180 60 5 30% Сr₂O₃ + 50% Al₂O₃ + 20% Al 980 75

Исследование показало, что наиболее практически пригодной является металлотермическая смесь, содержащая 30% балластной добавки. При сжигании смеси такого состава температура окружающей среды повышалась до 1200°С за 50 сек, что вполне приемлемо для топок печей.

Новизна темы состоит в том, что при решении поставленной задачи расширяется круг используемых теплоносителей, позволяющих заменять катастрофически исчезающие углеводородные источники, чрезмерное использование которых может привести человечество через 40-50 лет к тепловому кризису.

Металлотермические среды имеют неиссякаемые запасы в земной коре и могут с успехом заменить для человека катастрофически иссекающие запасы углеродного и углеводородного сырья.

Не менее важна и другая положительная роль металлотермического топлива для человека - оно горит без потребления атмосферного кислорода и без вредных газовых выбросов в атмосферу, т.е. экологически безопасно. Более того, утилизация отходов горения металлотермического топлива целесообразна, т.к. они содержат чистые восстановленные металлы (Cr, Fe) и их извлечение приносит дополнительную прибыль.

Предлагаемое топливо может поставляться потребителю в виде твердых брикетов (бытовое назначение) и порошковых пакетов (промышленное использование). Расчеты показывают, что предлагаемое топливо на базе окиси хрома в 5-7 раз дешевле углеводородного эквивалента.

Изобретение относится к нетрадиционным источникам энергии, используемым с целью получения тепловой энергии для бытовых и промышленных нужд. Состав топлива содержит 50-60% окиси хрома, 20-25% порошкового алюминия, остальное - порошок глинозема (окись алюминия). Металлотермическое топливо горит без потребления атмосферного кислорода и без образования вредных выбросов в атмосферу, т.е. экологически безопасно. Отходы горения нетоксичны. При сжигании смеси такого состава температура окружающей среды повышается до 1200°С за 50 сек, что вполне приемлемо для топок печей. Предлагаемое топливо в 5-7 раз дешевле углеводородного эквивалента. 2 табл.

Состав металлотермического топлива, содержащий порошок алюминия, окись алюминия, отличающийся тем, что содержит окись хрома при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Окись хрома 50-60 Порошок алюминия 20-25 Окись алюминия Остальное