СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2012 года по МПК C10G7/02 C01B21/68 C01B31/36 C01B33/00 C01B33/02 C01B33/23 

Предпосылки к созданию изобретения

Диоксид углерода представляет собой химическое соединение, содержащее углерод и кислород. Диоксид углерода представляет собой бесцветный газ, не имеющий запаха. При низких концентрациях он является природным компонентом воздуха и возникает в живых организмах при дыхании клетки; он также возникает при сжигании содержащих углерод материалов при достаточном количестве кислорода. Следует отметить, что с начала индустриализации содержание компонента CO₂ в атмосфере существенно возросло. Основной причиной этого являются выбросы СО₂, вызванные деятельностью человека, что известно как антропогенные выбросы CO₂.

Диоксид углерода в атмосфере поглощает часть теплового излучения. Это свойство делает диоксид углерода парниковым газом и одной из причин возникновения парникового эффекта.

По этой и другим причинам, в настоящее время проводятся исследования и разработки в самых разных направлениях, чтобы найти возможность снижения антропогенных выбросов CO₂. Существует большая потребность в снижении выбросов CO₂ при выработке энергии, которую часто осуществляют за счет сжигания ископаемых энергоносителей, таких как уголь или газ, а также в других процессах горения, например, во время сжигания бытовых отходов. В указанных процессах каждый год выпускают в атмосферу сотни миллионов тонн CO₂.

Как уже было указано здесь выше, горючие вещества, которые требуются для выработки теплоты, создают CO₂. До настоящего времени ни одному человеку не пришла в голову мысль об использовании песка, имеющегося в нефтеносных песках (SiO₂), в горючем сланце (SiO₂+[СО₃]²), в боксите или в содержащих гудрон песках или сланцах, и в других смесях, чтобы уменьшить выбросы CO₂ и, кроме того, получить новые исходные материалы и, прежде всего, энергию из продуктов, полученных при помощи такого нового способа.

Вместо использования встречающихся в природе смесей песка и нефти, в этом новом способе также могут быть использованы промышленные или бытовые отходы, содержащие углеводороды, возможно, с добавкой песка. Возможно также использование вместо нефти природного асфальта (который называют также минеральным пеком). Особенно предпочтительной является смесь, полученная из асфальта, перемешанного с чистым песком или со строительным бутовым камнем, который содержит в качестве компонента песок.

Однако также может быть использовано жидкое стекло, которое представляет собой смесь песка с кислотой или щелочью, причем жидкое стекло перемешивают с нефтью, чтобы получить углеводородный компонент, необходимый для осуществления настоящего изобретения (способ микроэмульсии).

Настоящее изобретение также может быть использовано особенно эффективно для очистки пляжей и песчаных отмелей, например, загрязненных в результате аварии танкера. Для этого лучше всего подходит транспортное средство, а преимущественно судно, оборудованное одной или несколькими зонами реакции в соответствии с настоящим изобретением. Это позволяет производить обработку песка, загрязненного тяжелой нефтью, в месте его нахождения, и преобразовывать его в ценные продукты без вредного воздействия на окружающую среду. При этом одновременно получают энергию.

Известно, что запасы нефтеносных песков (SiO₂) и сланцев ((SiO₂+[СО₃]²) превышают мировые запасы нефти во много раз. Известные в настоящее время технические процессы, применяемые для разделения нефти и минералов, являются неэффективными и слишком дорогими. Отметим, что природный асфальт встречается во многих местах земного шара, однако его добычу в промышленных масштабах ведут главным образом в Тринидаде.

Песок встречается при больших или меньших концентрациях повсеместно на поверхности земли. В основном песок содержит кварц (диоксид кремния; SiO₂). Однако компоненты кремния имеются также в гнейсе, слюде, граните, сланце и боксите. Поэтому такие породы также могут быть использованы в соответствии с настоящим изобретением.

Задачей настоящего изобретения является создание таких возможных исходных материалов и способов их производства. Химические новшества, использованные в предложенном способе, характеризуются тем, что кремний, присутствующий в песках, сланцах и других смесях, участвует в реакции, при этом создают обратимый водородный носитель.

Каскадированная последовательность индивидуальных реакций (которую здесь называют также каскадной связью энергии с материалом или ЕМС²) является отличительной для настоящего изобретения. Указанные индивидуальные реакции соединяют друг с другом так, что с каждым шагом реакции возрастает количество выделенной энергии или же с каждым шагом реакции получают другие (а преимущественно более ценные или обладающие большей энергией) продукты реакции. Для этого индивидуальные зоны реакций, в которых протекают частичные реакции, соединяют друг с другом термически и/или с возможностью переноса реагентов.

Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание альтернативных возможных подходов к генерированию энергии и созданию обратимых водородных носителей, которые можно безопасно транспортировать и которые обеспечивают пользователя водородом.

В соответствии с настоящим изобретением, в первой частичной реакции в способе использования энергоустановки, получают кремний из одного или нескольких следующих исходных материалов:

нефтеносный песок, горючий сланец, боксит, гнейс, слюда, гранит или сланец. Это не означает, что эту частичную реакцию обязательно осуществляют первой. Смесь одного или нескольких указанных исходных материалов может быть использована в этой первой частичной реакции, причем эту смесь ожиживают путем добавки кислоты или щелочи, например, чтобы улучшить транспортирование по трубам. В этом случае, кислота или щелочь впоследствии может быть рекуперирована за счет нагревания с использованием источника первичной энергии.

В соответствии с настоящим изобретением используют, среди прочего, тот факт, что кремний (например, в виде порошка с соответствующей температурой) при сгорании в чистом (холодном) азоте (например, в азоте из окружающего воздуха) может вступать в реакцию с азотом с образованием нитрида кремния, так как реакция является сильно экзотермической. Возникающая теплота может быть использована в реакторах, например, в процессах на энергоустановках. Эту реакцию кремния с образованием нитрида кремния называют второй частичной реакцией.

Кремний, возникающий в первой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением в процессах на энергоустановках, из нефтеносного песка, горючего сланца, боксита, гнейса, слюды, гранита и/или сланца, является поверхностно-активным и обработан каталитически (например, с использованием магния и/или алюминия в качестве катализатора) водородом, так чтобы получить моносилан. Эту реакцию кремния с образованием моносилана называют здесь третьей частичной реакцией. Полученный моносилан может быть удален из реакционной камеры и дополнительно подвергнут в другом месте каталитической реакции с приложением давления (четвертая частичная реакция). В соответствии с уравнением

Si+SiH₄→(с использованием катализатора, такого как Pt и т.п.)→Si(SiH₄)+SiH_n(SiH₄)_m+Si_nH_m

могут быть получены силаны с длинной цепью, которые могут быть использованы как в технологии топливных элементов, так и в двигателях. Силаны представляют собой возможную форму обратимого носителя водорода.

Однако следует иметь в виду, что кремний (такой как порошок кремния) также может быть нитрирован в способе в соответствии с настоящим изобретением в азоте (N₂) атмосферы при температурах около 1400°С, с образованием нитрида кремния Si₃N₄. Этот тип реакции является разновидностью второй частичной реакции.

Нитрид кремния затем может быть преобразован в NH₃, например, за счет использования гидролиза. Примерная реакция, протекающая при таком гидролизе, соответствует следующему уравнению:

Si₃N₄+6H₂0→3SiO₂+4NH₃

Таким образом, NH₃ и диоксид кремния получаются в этой реакции. NH₃ представляет собой выдающийся водородный носитель. Так как гидролиз нитрида кремния протекает относительно медленно, нитрид кремния используют в соответствии с настоящим изобретением в виде порошка, хлопьев или в пористом виде. За счет этого получают существенно большие площади поверхности, которые делают гидролиз нитрида кремния намного более быстрым и эффективным. Этот подход основан на обнаружении того факта, что в гидролизе нитрида кремния существенную роль играет поверхность гидролиза. Таким образом, гидролиз становится более эффективным за счет преднамеренного увеличения поверхности нитрида кремния. Реакцию нитрида кремния с образованием NH₃ за счет использования гидролиза называют здесь пятой частичной реакцией. Было обнаружено, что особенно эффективным является использование наноструктур или нанокристаллов Si₃N₄, которые могут быть получены, например, при помощи золь-гель процесса. В свою очередь, энергия для золь-гель процесса может быть отобрана из одной из частичных реакций в соответствии с настоящим изобретением.

Кремний, NH₃ и силаны представляют собой выдающиеся источники энергии, которые могут быть доставлены потребителю безо всяких проблем, чтобы там освободить из них водород. Однако следует иметь в виду, что перекись водорода лучше подходит для использования в качестве источника энергии. Перекись водорода может быть образована в дополнительной частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением, которая связана с процессом использования энергоустановки или объединена с таким процессом. Это относится также и к производству кремния, NH₃ или силанов, которое также может быть связано с процессом использования энергоустановки или объединено с таким процессом.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания его примерных вариантов, приведенного со ссылкой на схематичные сопроводительные чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана схема первой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 показана схема второй частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 показана схема третьей частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.4 показана схема четвертой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.5 показана схема пятой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.6 показана схема шестой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.7 показана схема седьмой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.8 показана схема восьмой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.9 показана схема девятой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.10 показана схема десятой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.11 показана схема одиннадцатой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.12 показана схема двенадцатой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.13 показана схема тринадцатой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.14 показана схема четырнадцатой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.15 показана схема пятнадцатой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.16 показана схема первого примерного варианта установки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.17 показана схема второго примерного варианта установки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.18 показана схема третьего примерного варианта установки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.19 показана схема четвертого примерного варианта установки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.20 показана схема пятого примерного варианта установки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.21 показана схема шестого примерного варианта установки в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

Далее настоящее изобретение будет описано на базе примеров. Первый пример связан с использованием настоящего изобретения при работе энергоустановки, для того, чтобы снизить выброс или полностью исключить выброс CO₂, который происходит при получении на ней энергии.

В соответствии с настоящим изобретением используют совокупность химических реакций, которые осуществляют в заданном порядке, в которых новые химические соединения (называемые продуктами) получают из исходных материалов (также называемых реагентами). (Частичной) реакцией (реакциями) в соответствии с настоящим изобретением называют реакцию, в которой СO₂ поглощается и/или связывается в значительных количествах.

В первом примерном варианте, например, песок, который перемешивают с нефтью, тяжелой нефтью, гудроном и/или асфальтом, которые являются источниками первичной энергии, или горючий сланец используют как исходный материал. Однако также могут быть использованы один или несколько следующих источников первичной энергии: бурый уголь или антрацит, торф, дрова, газ.

Эти исходные материалы подают в реакционную камеру, например, выполненную в виде камеры догорания или камеры сгорания. CO₂ вдувают в такую камеру.

В первом примерном варианте, этим СО₂ может быть отходящий газ СO₂, который возникает в больших количествах, когда получают энергию из ископаемого топлива, и который до настоящего времени во многих случаях выбрасывают в атмосферу. Преимущественно, но не обязательно, (окружающий) воздух дополнительно подают в камеру, по меньшей мере в начале первой частичной реакции. Вместо окружающего воздуха или в дополнение к окружающему воздуху, в процесс может быть подан пар или гиперкритическая Н₂О при температуре свыше 407°С. Однако, для того, чтобы успешно вводить гиперкритическую Н₂О в текущий процесс, преимущественно используют высокое давление в соответствующей реакционной камере/ камере сгорания. В частности, достаточными являются давления 150 бар и выше. Особенно предпочтительным является давление около 300 бар.

Более того, азот можно вдувать с помощью соответствующего средства в процесс в другой точке (например, во время первой частичной реакции), или в камеру сгорания, соответственно. Кроме того, катализаторы или катализатор определенного типа могут быть использованы в одной или нескольких частичных реакциях. Особенно подходящим (катализатором) является алюминий. Реакции протекают в камере при подходящих окружающих условиях, которые могут быть описаны в сильно упрощенном виде следующим образом:

то есть кварцевый компонент, присутствующий в исходном материале (материалах), преобразуется в кристаллический кремний (первая частичная реакция).

Содержащаяся в песках нефть, которая играет роль источника первичной энергии, сама в значительно степени пиролитически разлагается в способе в соответствии с настоящим изобретением (то есть в ходе первой частичной реакции) при температурах свыше 1000°С в водород (Н₂) и соединение, похожее на графит (например, в виде кокса). Однако следует иметь в виду, что аналогичным образом могут быть использованы и другие источники первичной энергии вместе с исходным материалом (материалами). Таким образом, в текущей первой частичной реакции, водород освобождают из углеводородной цепи источников первичной энергии. Водород может быть связан в соответствии с настоящим изобретением с одним из уже указанных носителей обратимой энергии (например, в области третьей частичной реакции), как это объясняется далее в примерах. Однако следует иметь в виду, что водород, который вводят непосредственно в процесс или который выделяется из газообразного алкана или из воды, например, из водяного пара, также может быть использован в одной или нескольких частичных реакциях.

Нитрид кремния как энергоноситель

Для того, чтобы получить, например, нитрид кремния в виде порошка или хлопьев (чешуек), кремний, получаемый в процессе (например, в ходе или в конце первой частичной реакции), может быть введен в камеру, или же он может падать в нее сверху. Азот (например, азот из окружающего воздуха), а преимущественно чистый азот (имеющий 90-100 объем. % азота) вдувают в указанную камеру. Кремний при температуре свыше 1000°С, а преимущественно свыше 1350°С, существующей в камере, при сгорании соединяется с азотом с образованием нитрида кремния. Эта реакция (вторая частичная реакция) является высоко экзотермической. Теплота (называемая как вторичная энергия), выделяемая в реакции (во второй частичной реакции), может быть использована для нагрева дополнительного исходного материала (материалов) (в этом случае, заданное количество теплоты, выделенной во второй частичной реакции, используют для того, чтобы снабдить первую частичную реакцию достаточной энергией, если, например, исчерпался первоначально введенный первичный источник энергии), или же заданное количество теплоты может быть выделено из второго процесса (второй частичной реакции) для подачи в другие эндотермические процессы (например, в шестую частичную реакцию), при каскадной подаче энергии. Дополнительно к этому или вместо этого, заданное количество выделенной теплоты также может быть использовано для нагрева рабочего тела (такого как вода) и, следовательно, для привода газовой турбины или паровой турбины (для получения энергии традиционным способом).

Например, пористый нитрид кремния может быть получен за счет сушки нитрида кремния при экстремальных режимах. Предпочтительным является подход с использованием для сушки автоклава, в котором имеются повышенные температура и давление. Требуемое количество теплоты (именуемой как вторичная энергия), в свою очередь, может быть получено из уже описанных экзотермических процессов (например, из второй частичной реакции). Давление и температуру выбирают так, чтобы нейтрализовать поверхность раздела фаз между газом и жидкостью до момента проведения охлаждения и/или сушки. В этом процессе получают пористый нитрид кремния (шестая частичная реакция). Однако, шестая частичная реакция также может быть изменена так, чтобы в золь-гель процессе возникали наноструктуры или нанокристаллы нитрида кремния, которые могут быть использованы как накопитель обратимой энергии или как исходный материал для получения NH₃.

Во втором примерном варианте, настоящее изобретение применяют совместно со способом пиролиза фирмы Pyromex AG, Швейцария. Однако настоящее изобретение также может быть использовано в качестве дополнения к кислородотопливному процессу или вместо него. Так, например, с использованием настоящего изобретения может быть осуществлено каскадное соединение энергия-материал (ЕМС²) в соответствии со следующим подходом. В измененном кислородотопливном процессе, дополнительную теплоту генерируют за счет добавки алюминия, а преимущественно жидкого или порошкового алюминия (этот алюминий может быть получен, например, с использованием двенадцатой частичной реакции), и при сгорании нефтеносного песка (вместо нефти или угля), первоначально с кислородом (O₂), но затем преимущественно с азотом (N₂) и, возможно, с алюминием (седьмая частичная реакция). Однако за счет больших количеств теплоты, которые выделяются в экзотермической седьмой частичной реакции, нефть или уголь могут быть оставлены здесь как источник первичной энергии.

В седьмой частичной реакции, алюминий освобождает кислород из диоксида кремния и окисляется с образованием оксида алюминия. Эта частичная реакция протекает особенно хорошо, если кислород не вводят снаружи или вводят только небольшое количество кислорода, так как кислород немедленно образует тонкую оболочку (пленку) на поверхности алюминия и, таким образом, фактически пассивирует алюминий. Таким образом, особенно предпочтительным является вариант, в котором азотную атмосферу по меньшей мере временно создают в зоне реакции.

Если необходима связь азота с кремниевыми соединениями, то азотную атмосферу преимущественно образуют из окружающего воздуха за счет сжигания кислородного компонента воздуха при помощи газообразного пропана (что известно как нитрование пропаном). Однако известны также и другие пути обеспечения разделения кислорода и азота. В качестве примеров дополнительных возможных способов разделения можно привести классический способ Линде (Linde) или способ с использованием мембраны из перовскита. Получение азота называют восьмой частичной реакцией.

В соответствии с настоящим изобретением может быть использован алюминий. В настоящее время рентабельным является только получение алюминия из боксита. Боксит содержит около 60% оксида алюминия (Al₂O₃), около 30% оксида железа (Fe₂O₃), оксид кремния (SiO₂) и воду. Это означает, что боксит типично всегда “загрязнен” оксидом железа (Fe₂O₃) и оксидом кремния (SiO₂).

Невозможно химически восстановить Al₂O₃ по причине его очень высокой энергии кристаллической решетки. Однако возможно в промышленных масштабах получать алюминий за счет электролиза расплава соли (способ криолит - оксид алюминия) оксида алюминия (Al₂O₃). Al₂O₃ получают, например, по способу Байера (Bayer). В способе криолит - оксид алюминия оксид алюминия расплавляется криолитом (соль: Na₃[AlF₆]) и подвергается электролизу. Для того, чтобы не работать при высоких температурах плавления оксида алюминия (2000°С), оксид алюминия растворяют в расплаве криолита. Поэтому рабочая температура в процессе составляет только от 940 до 980°С.

В электролизе расплава соли, жидкий алюминий образуется у катода и кислород образуется у анода из Al₂O₃. Блоки углерода (графита) используют в качестве анодов. Эти аноды сгорают за счет образующегося кислорода и их необходимо непрерывно обновлять.

Альтернативно, в качестве анода может быть использована плазма, которая является электропроводной. Таким образом, обычный анод будет замещен энергетическим анодом. Плазму преимущественно можно генерировать в области над ванной за счет активации электродов, имеющих соответствующую конфигурацию.

Существенным недостатком способа криолит - оксид алюминия является высокое потребление энергии, вызванное высокой энергией связи алюминия. Проблемы для окружающей среды создает образование и выбросы фтора, которые иногда случаются.

В способе в соответствии с настоящим изобретением (девятая частичная реакция), боксит и/или оксид алюминия может быть добавлен в процесс, чтобы обеспечить охлаждение. Избытком тепловой энергии в системе можно управлять при помощи боксита и/или оксида алюминия. Это осуществляют аналогично способу, в котором чугунный лом добавляют для охлаждения в расплав железа в доменной печи, когда температура расплава железа становится слишком высокой. Для этого, например, боксит может быть введен в реакционную камеру в виде предварительно измельченных при помощи измельчителя (дробилки камней) блоков необходимого размера. Дополнительный боксит и/или оксид алюминия может быть “вброшен”, если превышена желательная температура в реакционной камере, по команде от соответствующего контура управления, который измеряет температуру в реакционной камере (например, с использованием оптических датчиков).

Криолит может быть использован как добавка, если процесс грозит выйти из-под контроля, для того, чтобы понизить температуру в системе за счет нового аварийного охлаждения с использованием криолита. Однако предпочтительной является система с аварийным наполнением благородным газом, в которой реакционная камера заполняется благородным газом (преимущественно аргоном) в случае аварии (или до того, как это случится). Эта система с аварийным наполнением благородным газом может быть использована для каждой из частичных реакций. Дополнительные детали относительно химических последовательностей и энергетических процессов описаны здесь на следующих страницах.

Кварцевый песок может вступать в реакцию с жидким или порошковым алюминием экзотермически, с образованием кремния и оксида алюминия (как побочного продукта), как это описано в учебнике Холлемана-Уиберга (Hollemann-Wiberg) (седьмая частичная реакция):

3 SiO₂+4Al(1)→3Si+2Al₂O₃ ΔН=-618.8 кДж/моль (экзотермическая реакция)

Кремний при сгорании соединяется с азотом с образованием нитрида кремния при 1350°С. Реакция вновь является экзотермической (вторая частичная реакция):

Т=1350°С

3Si+2N₂(g)→Si₃N₄ ΔH=-744 кДж/моль (экзотермическая реакция)

После этого кремний вступает в слегка экзотермическую реакцию с углеродом с образованием карбида кремния (десятая частичная реакция):

Si+С→SiC ΔН=-65.3 кДж/моль (экзотермическая реакция)

Однако следует иметь в виду, что карбид кремния может быть получен

экзотермически непосредственно из песка и углерода при температуре около 2000°С

(одиннадцатая частичная реакция):

Т=2000°С

SiO₂+3С(g)→SiC+2СО ΔН=+625,3 кДж/моль (эндотермическая реакция)

(в приведенных выше и ниже формулах 1 обозначает жидкое состояние, a g газообразное состояние).

Этот эндотермический процесс получения карбида кремния может получать теплоту (вторичную энергию), которая возникает за счет реакции диоксида кремния с алюминием (седьмая частичная реакция) и/или с азотом (вторая частичная реакция). Карбид кремния может быть получен (десятая или одиннадцатая частичная реакция) в той же самой реакционной камере или в расположенной ниже по течению или соседней реакционной камере.

Для того, чтобы восстанавливать алюминий из побочного продукта в виде боксита или оксида алюминия Al₂O₃ (двенадцатая частичная реакция), жидкий Al₂O₃ (температура плавления 2045°С) подвергают электролизу без добавления криолита, чтобы получить алюминий и кислород. Двенадцатая частичная реакция является сильно эндотермической и может быть использована для охлаждения экзотермических реакций (см., например, девятую частичную реакцию). Для этого, соответствующие реакции могут быть термически связаны друг с другом, то есть этот эндотермический процесс восстановления алюминия также может получать теплоту, которая возникает, например, в ходе реакции диоксида кремния с алюминием и/или азотом. Однако, кроме теплоты, требуется также электрический ток, чтобы "побороть" высокую энергию кристаллической решетки Al₂O₃.

2Al₂O₃(1)→4Al(1)+3CO₂(g) ΔН=+1676,8 кДж/моль (эндотермическая реакция)

Производство силанов

Магний вступает в реакцию с кремнием с образованием силицида магния:

2Mg+Si→Mg₂Si

Силицид магния вступает в реакцию с соляной кислотой с образованием моносилана SiH₄ и хлорида магния:

Mg₂Si+4HCl(g)→SiH₄+2MgCl₂

Этот маршрут синтеза применим также и для алюминия. В результате получают силицид алюминия Al₄Si₃ в качестве промежуточного продукта. Силаны более высокого порядка могут быть получены только за счет полимеризации SiCl₂ при помощи SiH₄ и за счет последующей реакции с LiAlH₄, как это описано в уже опубликованных документах.

Однако, в соответствии с настоящим изобретением, моносиланы преимущественно получают при помощи способа в соответствии с третьей частичной реакцией. В качестве альтернативы может быть использован маршрут с использованием силицида алюминия или силицида магния.

Далее описаны другие существенные аспекты настоящего изобретения.

Для того, чтобы использовать источники первичной энергии более эффективно, источник первичной энергии, если он уже не перемешан с исходным материалом (материалами) (песок, боксит, сланец, гнейс, слюда и/или гранит), может быть отдельно предварительно нагрет.Так, например, сырая нефть может быть доведена до кипения ранее ее перемешивания с исходным материалом (материалами).

Вместо источника первичной энергии или в дополнение к источникам первичной энергии, печь может быть снабжена внешними или внутренними средствами нагрева, позволяющими подводить теплоту, необходимую для запуска реакций (например, первой частичной реакции). Особенно подходящими являются индукционные печи. Однако, можно также объединить способ в соответствии с настоящим изобретением (например, первую частичную реакцию) со способом, в котором используют обычную энергоустановку, которая работает с использованием ископаемого топлива (например, антрацита). В этом случае, по меньшей мере часть отходящей теплоты, возникающей в способе, в котором используют обычную энергоустановку, используют для нагревания исходного материала (материалов).

В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения, реакцию исходного материала (материалов) инициируют за счет ввода в контакт кремния (например, в виде порошка) с азотом и/или с алюминием (в виде порошка или жидкости). Используемый здесь кремний может быть первоначально получен в первой частичной реакции. В конце первой частичной реакции, часть полученного кремния может быть сохранена, чтобы больше не начинать каскадный процесс в соответствии с настоящим изобретением с использованием источника первичной энергии, который, в свою очередь, образует СО₂.

Для того, чтобы не выпускать в окружающую среду CO₂, который возникает при сжигании источника первичной энергии с использованием кислорода в начале процесса, возникающие в процессе топочные газы могут быть возвращены в реакционную камеру по линии возврата или по возвратной трубе. Введение топочного газа в реакционную камеру таким образом, что топочный газ протекает через песок, боксит, сланец, гнейс, слюду или гранит, является особенно предпочтительным. Топочный газ сначала может быть направлен в градирню или в расположенную ниже по течению систему удаления загрязнений (такую как система десульфурации) или фильтр, когда источник первичной энергии, содержащий углеводород “расходуется” в первой частичной реакции.

Однако, как уже было указано здесь во введении, также может быть использовано жидкое стекло. Жидкое стекло представляет собой растворимый в воде силикат щелочи. Оно является аналогичным стеклу, то есть аморфным, некристаллическим соединением, которое типично имеет следующую композицию: MzO·nSiO₂, где n может быть от 1 до 4. До настоящего времени в промышленности часто использовали силикаты натрия и калия. В соответствии с настоящим изобретением также могут быть использованы силикат натрия и силикат калия, но, кроме того, силикаты алюминия или смеси двух или нескольких из этих силикатов.

Так как алюминий имеет химические характеристики, аналогичные характеристикам кремния, то особенно предпочтительными являются комбинации процессов, в которых используют соединения кремния (называемые здесь кремниевыми продуктами или содержащими кремний продуктами) и соединения алюминия. Например, особенно предпочтительным является использование силикатов алюминия, которые содержат SiO₂ и Al₂O₃.

Приготовление соответствующих силикатов и/или создание жидкого стекла является тринадцатой частичной реакцией.

Силикаты или жидкое стекло могут быть использованы сами по себе как исходный материал для способа в соответствии с настоящим изобретением, или же они могут быть перемешаны, например, с песком или другими исходными материалами (четырнадцатая частичная реакция), чтобы получить исходный материал (называемый как исходный материал I), который, например, лучше подходит для второй частичной реакции.

Силикат или жидкое стекло также могут быть использованы для получения смеси с одним или несколькими источниками первичной энергии (например, с нефтью) (четырнадцатая частичная реакция) и могут быть использованы для получения углеводородного компонента, необходимого для запуска способа в соответствии с настоящим изобретением и для создания реагентов, которые поддерживают или ускоряют реакцию (называемых как исходный материал II).

Как уже было указано здесь во введении, ископаемое топливо, которое сжигают в энергоустановках, содержит серные загрязнения. В соответствии с европейской заявкой 06126325.7, Н₂О₂ теперь может быть использована как энергоноситель в энергоустановках, которые работают на ископаемом топливе.

Так как чистая (не содержащая воды) Н₂О₂ является нестабильной и может самопроизвольно взрываться, например, когда она входит в контакт с металлами, то в соответствии с настоящим изобретением она циркулирует в растворе, который содержит не менее 70% воды (в водном растворе). Это предельное значение 70% считают здесь критической предельной концентрацией.

Концентрацию раствора в соответствии с настоящим изобретением выбирают так, чтобы концентрация Н₂О₂ лежала ниже критической предельной концентрации. Раствор затем транспортируют к потребителю (на заправочную станцию, к конечному потребителю). За счет освобождения водорода и/или кислорода из раствора можно генерировать энергию у потребителя и использовать водород и/или кислород в качестве источника энергии и/или топлива.

Кислород, который преимущественно используют в реакции с пероксосерной кислотой, отбирают из (окружающего) воздуха, из отходящего газа CO₂ энергоустановки или из процесса восстановления диоксида кремния (первая частичная реакция), как уже было указано здесь выше.

Н₂О₂ особенно хорошо подходит для использования в качестве источника энергии или топлива. Транспортировка потребителю обратимого удобного водородного носителя, который получен в соответствии с настоящим изобретением, может быть осуществлена различным образом (например, при помощи транспортного автомобиля), причем такая транспортировка может быть осуществлена безо всяких проблем, так как водородные носители являются относительно некритичными при транспортировании.

В месте использования водород и/или кислород могут быть выделены из обратимо используемых водородных носителей. Водород затем может быть использован, например, в топливных элементах.

Далее различные предпочтительные подходы к техническому применению настоящего изобретения поясняются со ссылкой на схематичные чертежи. Следует иметь в виду, что показанные зоны реакций в виде камер сгорания или топок (печей) приведены только в качестве примеров. Совершенно очевидно, что способ в соответствии с настоящим изобретением также может быть использован в камерах сгорания или топках, которые имеют другие конструкции.

Первый вариант установки показан на фиг.16. Как это показано на фиг.16, две вертикально работающих пламенных печи (например, доменные печи) 10 и 20 расположены рядом друг с другом. Первая пламенная печь 10 и вторая пламенная печь 20 имеют соответственно выпускную область 11 и выпускную область 21 для отходящих газов (топочных газов), возникающих в том и другом случае. Первая пламенная печь 10 загружена ископаемым топливом 12 (например, антрацитом), причем ископаемое топливо сжигают с использованием кислорода (например, кислорода воздуха). Большие количества теплоты выделяются в ходе этого процесса, что известно само по себе, причем эта теплота частично переносится при помощи теплообменника 13 в рабочее тело (например, в воду, превращая ее в пар), чтобы вращать турбины и получать электроэнергию с использованием полученного водяного пара.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается проводить различные реакции последовательно. В показанном примерном варианте используют тепловую связь со второй пламенной печью 20, то есть две печи 10 и 20 прямо или косвенно термически связаны друг с другом, что показано на фиг.16 стрелкой W1.

Термическая связь в этом и других вариантах может быть осуществлена в двух печах, которые стоят рядом друг с другом (стенка к стенке). Термическая связь также может быть выполнена с использованием соответствующего пассивного (например, с использованием проводников тепла) или активного теплового моста (например, с использованием теплообменника и соответствующей среды транспортирования).

Во второй пламенной печи 20, один из исходных материалов 22, содержащих оксид кремния, нагревается при помощи теплоты W1, создаваемой первой печью 10, так что реакцию, протекающую в первой печи 10, в большей или меньшей степени используют как источник первичной энергии для осуществления первой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением. В этой первой частичной реакции преобразуют диоксид кремния в кремний. Например, воздух, имеющий типичный азотный компонент (или чистый азот) может быть введен в печь 20 при помощи трубки 24 или другого аналогичного средства. Следует иметь в виду, что место введения воздуха может быть различным. Кремний вступает в реакцию с азотом с образованием нитрида кремния (см. вторую частичную реакцию). Эта реакция является сильно экзотермической и возникающая при этом теплота может полностью или частично передаваться при помощи теплообменника 23 в рабочее тело (например, в воду, превращая ее в пар), чтобы вращать турбины и получать электроэнергию с использованием полученного водяного пара.

Разновидность первого варианта, в котором эту вторичную теплоту, в свою очередь, используют для создания возможности протекания или для поддержки дополнительной частичной реакции, является особенно предпочтительным. Так, например, как это показано на фиг.16, может быть образована зона 30 реакции, которая поглощает нитрид кремния, получаемый из второй частичной реакции и преобразует его в пористый нитрид кремния, в хлопья кремния или в порошок кремния, который имеет существенно больший объем и значительно большую площадь поверхности, при подводе теплоты и/или реагентов и/или давления. Эта шестая частичная реакция становится возможной и может поддерживаться за счет соответствующей термической связи, при помощи вторичной теплоты второй частичной реакции, что показано на фиг.16 стрелкой W2.

Отгрузку нитрида кремния можно производить при помощи грузового вагона 31, как это показано на фиг.16.

В печь 20 также может быть введен CO₂ (эта операция является факультативной). CO₂ может быть введен из области 11 отходящего газа первой печи 10 во вторую печь 20, или же CO₂ может быть введен из окружающего воздуха и восстановлен, то есть сделан “безопасным”.

Второй вариант установки показан на фиг.17. Как это показано на фиг.17, используют вертикально работающую пламенную печь 20. Один из исходных материалов 22, содержащих диоксид кремния, нагревают в пламенной печи 20 за счет сжигания источника первичной энергии (например, ископаемого топлива, такого как нефть и/или гудрон). Среди прочего, в этой первой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением получают кремний. Аналогично первому примерному варианту, получают нитрид кремния и теплоту за счет подвода азота. Однако, в разновидности этого способа, кремний может вступать в реакцию с углеродом с образованием SiC (см. десятую частичную реакцию). Углерод может быть получен из ископаемого топлива или из CO₂, который при необходимости может быть введен в печь 20 (например, через впускную трубку 25). Эта частичная реакция также протекает экзотермически, однако позволяет получать значительно меньше теплоты, чем вторая частичная реакция.

Как уже было указано здесь выше, CO₂ также может быть введен в печь 20 в этом втором варианте.

Разновидность второго варианта, в которой эту вторичную теплоту W2, в свою очередь, используют для создания возможности протекания или для поддержания дополнительной частичной реакции, является особенно предпочтительным. Так, например, как это показано на фиг.17, может быть предусмотрена зона 30 реакции, в которую поступает карбид кремния из десятой частичной реакции и где происходит его сушка, спекание или другое рафинирование, при подводе теплоты и/или дополнительных реагентов и/или давления. Эта дополнительная реакция становится возможной и может поддерживаться за счет вторичной теплоты десятой частичной реакции при помощи соответствующей термической связи, как это показано на фиг.17 стрелкой W2.

Карбид кремния или рафинированный карбид кремния может быть отгружен при помощи грузового вагона 31, как это показано на фиг.17.

Третий вариант установки показан на фиг.18. Как это показано на фиг.18, используют вертикально работающую пламенную печь 20. Один из исходных материалов 22, содержащих диоксид кремния, нагревают в пламенной печи 20 за счет сжигания источника первичной энергии (например, ископаемого топлива, такого как нефть и/или гудрон). Среди прочего, в этой первой частичной реакции в соответствии с настоящим изобретением получают кремний. Аналогично первому примерному варианту, получают нитрид кремния и теплоту за счет подвода азота. Эта частичная реакция является сильно экзотермической. Для охлаждения печи 20 и, следовательно, для управления второй частичной реакцией, оксид 42 алюминия (с криолитом или без него) используют в качестве охладителя в отдельной зоне 40 реакции (выполняющей функцию средства охлаждения), которая по меньшей мере частично окружает печь 20. Оксид 42 алюминия может быть введен в эту зону сверху, причем за счет большой теплоты, которую выделяет печь 20, он преобразуется в жидкий алюминий 43, который может быть выпущен, например, вниз. Это преобразование (процесс восстановления) протекает при наличии электродов для осуществления электролиза (электролиза расплава соли) в зоне 40 реакции.

Зона 40 реакции содержит, например, стальную ванну, которая облицована углеродным материалом и служит для проведения электролиза (электролиза расплава соли). Эти детали на фиг.18 не показаны. Жидкий электролит (оксид алюминия с криолитом или без него) содержится в этой ванне. Аноды (например, углеродные блоки), которые подключены к положительному полюсу источника напряжения, погружены в электролит. Ванну используют как катод и подключают к отрицательному полюсу. Алюминий, восстановленный в этой двенадцатой частичной реакции (см. приведенное ниже уравнение), тяжелее, чем электролит, и поэтому накапливается на дне ванны, откуда его отбирают, например, с использованием всасывающей трубы.

2Аl₂O₃→4Аl+3O₂

Исходным материалом для этого электролиза (который известен также как электролиз расплава соли) является боксит, то есть смесь минералов в виде глины, таких как оксид алюминия и гидроксид алюминия (Al(OH)₃). В боксите также часто присутствует диоксид кремния. До настоящего времени боксит сначала отделяют от включений оксидов железа (например, с использованием способа Байера (Bayer). Более того, затем типично отделяют оксид кремния, который “загрязняет” боксит. В соответствии с настоящим изобретением, абсолютно нет необходимости производить это сложное разделение компонентов смеси, так как в процессе имеется достаточное количество энергии и получение чистого алюминия не является первоочередной задачей.

Кроме того, в используемом до настоящего времени промышленном производстве алюминия, боксит (вместе с указанными выше компонентами смеси или без них) может быть разбавлен водой, чтобы получить гидроксид алюминия. Боксит также может быть перемешан с водным паром или гиперкритической водой (при температуре свыше 407°С и при высоком давлении), чтобы получить гидроксид алюминия.

Оксид алюминия получают за счет нагревания гидроксида алюминия до температуры ориентировочно от 1200°С до 1300°С (например, с использованием вторичной энергии):

2Al(OH)₃→Al₂O₃+3H₂O

Полученный гидроксид алюминия (вероятно, должно быть “оксид алюминия” - Прим. переводчика) затем подвергают электролизу (электролизу расплава соли), с криолитом или без него, что само по себе известно.

Эффективность охлаждения может быть усилена или снижена за счет контролируемой добавки боксита и/или оксида алюминия. В этом варианте установки получают высокосортный алюминий в дополнение к продукту второй частичной реакции.

В четвертом предпочтительном варианте установки, который схематично показан на фиг.19, алюминий 43 в жидком или порошковом виде добавляют в диоксид кремния 22 в зоне реакции (например, в зоне реакции печи 20). Это добавление алюминия показано на фиг.19 стрелкой 46. Алюминий в этом варианте также получают в двенадцатой частичной реакции с использованием электролиза (электролиза расплава соли), который осуществляют в зоне 40 реакции, в которой находится ванна, облицованная углеродным материалом 44. Алюминий 43 получают в этой ванне из оксида алюминия 42 (с криолитом или без него), когда большой ток пропускают через анод (аноды) и углеродный материал 44 используют в качестве катода. Алюминий 43 осаждается на дне ванны и может быть отобран со дна при помощи всасывающей трубы или может быть сброшен вниз через стояк 45. Жидкий алюминий также может быть введен в зону реакции печи 20 из этой точки удаления (вывода) для того, чтобы освободить кислород из диоксида кремния. Азотная атмосфера преимущественно существует в печи 20 в этой фазе процесса.

Аналогично известной термической реакции (реакции восстановления-окисления, в которой алюминий используют как восстановитель, например, чтобы преобразовать оксид железа в железо), алюминий также используют здесь как восстановитель, чтобы освободить кислород из диоксида кремния. Эта реакция (седьмая частичная реакция) является сильно экзотермической и позволяет получать большие количества теплоты. Эта теплота, в свою очередь, может быть введена в процесс производства алюминия (двенадцатая частичная реакция), который протекает параллельно, и/или эта теплота может быть использована для выработки тока (с использованием теплообменника 23).

Два других возможных варианта установок схематично показаны на фиг.20 и 21. В том и другом случае используют печи, которые установлены горизонтально или немного наклонно.

Каскадное соединение энергоносителей (ЕМС²) в соответствии с настоящим изобретением характеризуется тем, что процессы протекают в диссипативных структурах ниже точки термического равновесия, аналогично живым структурам клеток и организмов.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается замена на процессы сгорания с использованием азота вместо процессов сгорания с использованием кислорода, которые применяли до настоящего времени.

В соответствии с настоящим изобретением получают так называемые кремниевые продукты. Термин «кремниевые продукты» относится к следующим (промежуточным) продуктам: нитрид кремния (например, в виде порошка, хлопьев или в пористом виде); кремний (например, в виде хлопьев или порошка), карбид кремния; моносилан или силаны с более длинными цепями; силицид магния, SiCl₂; SiCl₄; композиции кремния с другими элементами, такими как алюминий, кальций или оксид магния (силикаты). Эти кремниевые продукты до настоящего времени получали только в очень химически чистом виде для использования, например, в полупроводниковой промышленности. Чистый кремний, например, имеет степень чистоты 98-99.5% и даже до 99.9999999%.

До настоящего времени неизвестен потенциал использования этих материалов как энергоносителей. Если производить эти кремниевые продукты на энергоустановке или в процессе, аналогичном процессу с использованием энергоустановки, то тогда могут быть получены большие количества таких продуктов при относительно низкой стоимости. Особым преимуществом кремниевых продуктов можно считать то, что эти кремниевые продукты, в зависимости от партнера в реакции, могут быть преобразованы в SiO₂, который представляет собой материал, абсолютно безопасный для окружающей среды и удобный для обращения. Кремниевые продукты, полученные в соответствии с настоящим изобретением на энергоустановке или в процессе, аналогичном процессу с использованием энергоустановки, преимущественно имеют высокую степень чистоты, лежащую в диапазоне от 50 до 97%. Особенно ценными являются кремниевые продукты, которые имеют степень чистоты от 75% до 97%. Такие кремниевые продукты могут быть получены в больших количествах и с низкой себестоимостью на промышленных установках, причем эти кремниевые продукты также могут быть использованы как энергоносители.

Изобретение относится к использованию в качестве энергоносителей исходных материалов, содержащих диоксид кремния. Изобретение касается способа и устройства выработки энергии и включает в себя следующие операции: введение исходного материала в зону реакции, причем исходный материал содержит один или несколько следующих компонентов: песок, боксит, содержащий диоксид кремния, кварц, гнейс, слюда, гранит, сланец; использование источника первичной энергии, чтобы начать реакцию, в которой исходный материал нагревается и из исходного материала выделяется кремний; использование кремния в первой частичной реакции, которая протекает экзотермически и позволяет выделять теплоту; использование указанной теплоты как вторичной энергии для замещения источника первичной энергии при нагревании исходного материала и/или для подачи по меньшей мере в одну дополнительную частичную реакцию или в несколько частичных реакций, которые требуют ввода энергии, по окончании которых получают продукт, содержащий кремний, в частности карбид кремния, нитрид кремния. Технический результат - получение кремниевых продуктов, которые могут быть использованы как энергоносители. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Способ выработки энергии, который включает в себя следующие операции:
- введение исходного материала в зону реакции, причем исходный материал содержит один или несколько следующих компонентов: песок, боксит, содержащий диоксид кремния, кварц, гнейс, слюда, гранит, сланец;
- использование источника первичной энергии, чтобы начать реакцию, в которой исходный материал нагревается и из исходного материала выделяется кремний;
- использование кремния в первой частичной реакции, которая протекает экзотермически и позволяет выделять теплоту;
- использование указанной теплоты как вторичной энергии для замещения источника первичной энергии при нагревании исходного материала и/или для подачи по меньшей мере в одну дополнительную частичную реакцию или в несколько частичных реакций, которые требуют ввода энергии, по окончании которых получают продукт, содержащий кремний, в частности карбид кремния, нитрид кремния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что источник первичной энергии добавляют в исходный материал или же используют исходный материал, который уже содержит источник первичной энергии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют источник первичной энергии, содержащий углеводороды, а преимущественно один или несколько следующих материалов: нефть, гудрон, асфальт, уголь.

4. Способ по п.1, 2 или 3, отличающийся тем, что в первой частичной реакции кремний вступает в реакцию с азотом, чтобы образовать нитрид кремния и выделить количество энергии.

5. Способ по п.1, 2 или 3, отличающийся тем, что в первой частичной реакции кремний вступает в реакцию с углеродом, чтобы образовать карбид кремния и выделить количество энергии.

6. Способ по п.1, 2 или 3, отличающийся тем, что жидкий или порошковый алюминий вводят в исходный материал, чтобы освободить кислород из диоксида кремния исходного материала.

7. Способ по п.1, 2 или 3, отличающийся тем, что подают в первую частичную реакцию СО₂ и жидкий или порошковый алюминий, причем алюминий восстанавливает оксид алюминия и освобождает кислород из СO₂.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что частичные реакции протекают последовательно или одновременно.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержащий кремний продукт имеет степень чистоты в диапазоне от 50 до 97%, а преимущественно от 75% до 97%.

10. Устройство для осуществления способа выработки энергии по п.1, которое содержит:
- первую зону реакции для приема по меньшей мере одного исходного материала,
- средства для нагрева исходного материала с использованием источника первичной энергии,
- вторую зону реакции для приема по меньшей мере одного первого материала и преобразования этого первого материала во второй материал, причем вторая зона реакции термически связана с первой зоной реакции так, что теплота, которая появляется в первой зоне реакции, может быть подана во вторую зону реакции.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что первая зона реакции выполнена с возможностью приема одного или нескольких следующих исходных материалов, содержащих диоксид кремния:
- песок, гнейс, слюда, гранит, сланец, строительный бутовый камень;
и с возможностью приема одного или нескольких следующих источников первичной энергии:
- нефть, гудрон, асфальт, уголь.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что в первой зоне реакции предусмотрены средства для подачи кислорода и/или азота.

13. Устройство по п.10, 11 или 12, отличающееся тем, что в нем предусмотрено средство активной или пассивной термической связи между зонами реакции.

14. Устройство по п.10, 11 или 12, отличающееся тем, что в нем предусмотрено средство для введения в процесс азота вместо содержащей кислород атмосферы.

15. Устройство по п.10, 11 или 12, отличающееся тем, что в нем предусмотрено средство охлаждения преимущественно в виде отдельной зоны реакции, позволяющее обеспечивать эффект охлаждения во время или после осуществления экзотермической частичной реакции, за счет добавки боксита и/или оксида алюминия.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что средство охлаждения содержит приемную область, а преимущественно ванну, которая выполнена и расположена так, что боксит и/или оксид алюминия при его вводе в приемную область может отводить теплоту из первой или второй зоны реакции.

17. Устройство по п.15, отличающееся тем, что средство охлаждения выполнено и расположено так, что боксит и/или оксид алюминия может быть введен непосредственно в первую или вторую зону реакции.

18. Устройство по п.10, отличающееся тем, что содержит систему аварийного заполнения благородным газом, позволяющую ввести благородный газ в первую или вторую зону реакции.

19. Устройство по п.10, отличающееся тем, что первый материал представляет собой один или несколько следующих материалов: нефтеносный песок; горючий сланец, боксит, гнейс, слюда, гранит, сланец, а второй материал представляет собой кремний или содержащий кремний продукт.