Алюмоводородная энергетическая установка с газификацией твердого топлива
К реактору алюмоводородной энергетической установки добавлено устройство ввода высокоуглеродной массы или суспензии малозольного малосернистого угля, которая, газифицируясь в реакторе за счет тепла окисления алюминия водяным паром, многократно увеличивает выход газа, являющегося высококачественным вторичным энергоносителем
Полезная модель относится к области электроэнергетики, а именно, к использованию алюминия в качестве чрезвычайно эффективного и чистого энергоносителя.
Известно применение алюминия в виде порошка для получения водорода в схемах гидротермального окисления с целью использования водорода в топливных элементах для производства электроэнергии - Автономные комбинированные энергоустановки с топливными элементами, работающими на продуктах гидротермального окисления алюминия. Дмитриев А.Л., Иконников В.К. и др. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology No 11 (67) 2008, Scientific Technical Centre "TATA", 2008. 10-16, - аналог. Недостатком энергоустановок такого типа является недоиспользование значительной части потенциальной энергии алюминия, выделяющейся реакторе окисления в виде тепла.
Известна схема получения дополнительной энергии за счет включения за реактором окисления газовой турбины в качестве первой ступени комбинированного цикла, рабочим телом которого является пароводородная смесь, производимая при окислении алюминия водяным паром под давлением - Производство энергии на базе низкотемпературных алюмоводородных технологий. Жук А.З., Школьников Е.И., Мирошниченко В.И. и др. в Сб. статей 50 лет ОИВТ, Итоги и перспективы. Изд. ОИВТ РАН, Москва, 2010, с 556-568 - прототип. При этом водород, отработавший в газовой турбине, также используется в топливных элементах. Поскольку пар производится из воды, подаваемой в реактор окисления алюминия, под давлением, в этой схеме отсутствует основной источник потерь энергии в термодинамических циклах - газовый компрессор. И в принципе, поэтому, газовая турбина могла бы быть чрезвычайно эффективной, но для турбины существуют ограничения по предельной температуре на лопатках, и для снижения уровня температуры в рабочее тело добавляют пар. Существуют и другие варианты использования водорода под давлением в термодинамических циклах, например, в МГД-генераторе - Алюмоводородные МГД-генераторы. Шейндлин А.Е., Битюрин В.А. и др. в Сб. статей 50 лет ОИВТ, Итоги и перспективы. Изд. ОИВТ РАН, Москва, 2010, с 596-604. Однако для эффективной работы МГД-генератора нужна высокая электрическая проводимость рабочего тела, которая обеспечивается только при высокой температуре, поэтому коэффициент преобразования располагаемой энтальпии оказывается небольшим. Указанные выше ограничения использования энергии, полученной при использовании алюминия в качестве энергоносителя, и его высокая цена являются факторами, сдерживающими его применение.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу устранения этих негативных обстоятельств посредством существенного увеличения выхода газа, производимого в алюмоводородном реакторе с заданным расходом алюминия, пригодного и для привода газовой турбины как первой ступени преобразования энергии, и для последующего использования в топливных элементах, за счет расширения функций реактора, что обеспечивает существенный технико-экономический эффект.
Для решения поставленной технической задачи предлагается алюмоводородная энергетическая установка, содержащая высокотемпературный реактор окисления алюминия водяным паром, производимым за счет регенеративного тепла, в котором создается рабочее тело высоких параметров для тепловой машины первой ступени преобразования энергии в комбинированном цикле, которое в свою очередь является энергоносителем для последующих ступеней преобразования энергии при окислении кислородом воздуха, отличающаяся тем, что к указанному реактору окисления алюминия паром подключено устройство ввода газифицируемой углеродсодержащей среды, в частности, малосернистого и малозольного угольного порошка, например, в виде водной суспензии, для его совместной газификации в среде реактора за счет выделяющегося тепла и при участии паров воды, а к выходу реактора подключен сепаратор твердой фазы, за которым подключена тепловая машина первой ступени комбинированного цикла.
Эффект достигается за счет того, что на каждый моль углерода, вводимого в реактор, за счет эндотермической реакции газификации по известному уравнению C+H2O=CO+H2, создается 2 моля горючего газа, что позволяет существенно, в несколько раз увеличить количество вырабатываемого в реакторе высококачественного газа для последующего использования в комбинированном цикле. В качестве тепловой машины первой ступени может быть установлена газовая турбина с высоким противодавлением, используемая главным образом для привода компрессора окислителя, за ней камера сгорания для сжигания горючих газов после первой турбины для привода более мощной турбины на продуктах сгорания. При использовании кислорода или высокого регенеративного подогрева воздуха, в том числе с кислородным обогащением, вместо второй ступени устанавливается МГД-генератор на продуктах сгорания, затем вспомогательное оборудование для использования регенеративного тепла, такое как парогенератор и воздухоподогреватель. Существенная экономия по стоимости топлива достигается за счет того, что на каждый моль алюминия в схему вводится несколько молей на порядки более дешевого топлива с высоким содержанием углерода для его газификации при сохранении преимуществ и возможностей алюмоводородных установок, с тем ограничением, однако, что новая горючая среда пригодна к использованию в высокотемпературных топливных элементах, не отравляемых присутствием окислов углерода. Фигуры 1-3 поясняют существо предлагаемой полезной модели с газификацией твердого топлива, осуществляемой за счет устройства дополнительного ввода в алюмоводородный реактор, с иллюстрацией полезных применений.
На фиг.1 представлена схема с газовой турбиной в качестве тепловой машины первой ступени. Здесь 1 - традиционный ввод порошка алюминия, 2 - воды, 3 - устройство ввода высокоуглеродного порошка или его водной суспензии в реактор 4, к выходу которого через сепаратор твердой фазы 5 подключен вход газовой турбины 6, к выходу которой подключены, в общем случае, потребители синтез-газа - смеси CO и H2, в частности, высокотемпературные топливные элементы 7.
На фиг.2 показана схема, отличающаяся от фиг.1 тем, что вторичный энергоноситель, то есть газ с высоким давлением с выхода первой газовой турбины 6, направляется для использования в камерах сгорания 8 и 11 высокоэффективной 2-х ступенчатой турбины 10 и 12 на продуктах сгорания, со впрыском пара в камеру сгорания 8, использующую часть потока произведенного в реакторе 4 горючего газа при сжигании с большим избытком окислителя, подаваемом с выхода компрессора окислителя 9, сбросом выхлопа 10 в камеру сгорания 11, куда подается вторая, еще не использованная часть потока энергоносителя с выхода турбины 6, а продукты сгорания направляют на вход турбины 12. Элемент 13 условно представляет систему утилизации сбросного тепла перед выхлопом газов сгорания в атмосферу. Эта система может, по необходимости, включать систему очистки газов перед сбросом в атмосферу.
На фиг.3 представлен вариант схемы фиг.1, отличающийся использованием МГД-генератора (МГДГ) в качестве тепловой машины, подключенной к выходу турбины 6. Для этого на валу турбины 6 размещен компрессор 9, потоки топлива и окислителя подведены к камере сгорания МГД-генератора 7, а выхлопные газы МГД-генератора направляются в систему утилизации и регенерации тепла для подогрева окислителя и производства пара в реактор (не показаны).
Все три варианта устройства работают следующим образом: исходные компоненты - порошковый алюминий, водяной пар и угольная суспензия, или порошок высокоуглеродного материала, подаются устройствами ввода в высокотемпературный алюмоводородный реактор при высоком давлении, где газифицируются за счет выписанной выше эндотермической реакции, тепловой эффект которой составляет около 130 кДж на моль прореагировавшего углерода, соответственно уменьшая выходную температуру, но увеличивая поток восстановительного газа, соответственно, на моль CO и моль H 2. Это намного рациональнее, чем просто добавлять воду или пар для снижения допустимой температуры в алюмоводородном реакторе и на входе в газовую турбину, являющуюся первой ступенью преобразования энергии в комбинированном алюмоводородном цикле, как это делается у прототипа. Как и у прототипа, предполагается установка сепаратора твердой фазы 5 за реактором перед турбиной, например, центробежного типа. В основном подлежит удалению Al 2O3, зольная составляющая используемого малозольного угля составит единицы процентов твердой фазы. Сколько молей углерода и пара следует ввести в реактор, определяется из условий оптимизации конкретной схемы, и характеристиками оборудования, но по крайней мере, при температуре газа на выходе реактора 1500К таким образом можно получить 11 молей смеси горючих газов, в основном H 2 и CO вместо 3 молей H2 без газификации, что позволяет в несколько раз увеличить расход и мощность первой ступени преобразования энергии - турбины 6, и количество энергоносителя, передаваемого для последующего использования. На фиг.1 представлена схема с подачей этого потока горючих газов с выхода турбины в батарею высокотемпературных топливных элементов, которые не отравляются окислами углерода при работе на такого рода вторичном энергоносителе. Можно, таким образом, ожидать существенного увеличения производительности и эффективности алюмоводородной энергетической установки за счет применения дополнительного устройства ввода углеродсодержащей среды в реактор на газификацию. В других вариантах установки согласно фиг.2 и фиг.3 давление за реактором 4 может без затрат на компримирование газов составлять сотни атмосфер, за счет чего за турбиной 6 с разумной степенью расширения горючих газов также возможно иметь высокое давление, отчего для дальнейшего использования этих газов в вариантах схемы фиг.2 и фиг.3 с газовой турбиной и с МГД-генератором дополнительно нужно использовать компрессор окислителя - воздуха на фиг.2 и обогащенного кислородом или регенеративно подогретого до температур выше 1000 С воздуха на фиг.3 Особенностью варианта схемы фиг.2 является возможность эффективного использования вторичного энергоносителя высоких параметров в двухступенчатой турбине с большим избытком окислителя для понижения максимальной температуры в первой ступени 10 и с добавлением топлива и окислителя во второй ступени 12. Этот вариант привлекателен возможностью получения высокого к.п.д. преобразования энергии на существующем передовом оборудовании. Для некоторых задач может быть интересен МГД-генератор. Подбор параметров схемы позволяет осуществить компримирование окислителя для МГД-генератора в схеме фиг.3 за счет привода от турбины 6, что позволяет обеспечить его высокоманевренное включение в автономном режиме. Во всех рассмотренных случаях использование устройства дополнительного ввода углеродсодержащей среды на газификацию в алюмоводородный реактор резко повышает эффективность энергетической установки.
Алюмоводородная энергетическая установка, содержащая высокотемпературный реактор окисления алюминия водяным паром, производимым за счет регенеративного тепла, в котором создается рабочее тело высоких параметров для тепловой машины первой ступени преобразования энергии в комбинированном цикле, которое, в свою очередь, является энергоносителем для последующих ступеней преобразования энергии при окислении кислородом воздуха, отличающаяся тем, что к указанному реактору окисления алюминия паром подключено устройство ввода газифицируемой углеродсодержащей среды, в частности малосернистого и малозольного угольного порошка, например, в виде водной суспензии, для его совместной газификации в среде реактора за счет выделяющегося тепла и при участии паров воды, а к выходу реактора подключен сепаратор твердой фазы, за которым подключена тепловая машина первой ступени комбинированного цикла.
