Комбинированная парогазотурбинная установка на продуктах гидротермального окисления алюминия

Авторы патента:

F02C3/30 - добавление воды, пара или другой текучей среды в горючие компоненты или в рабочее тело перед выходом из турбины (нагрев воздухозаборников для предотвращения обледенения F02C 7/047)

F02C3/26 - когда горючее и окислитель находятся в твердом или пылевидном состоянии, например в виде суспензий или взвесей

Полезная модель относится к области водородной энергетики, более конкретно, к газотурбинным установкам, работающим на продуктах гидротермального окисления алюминия, предназначенных для использования в составе автономных экологически безопасных энергоустановок на базе конверсированных газотурбинных двигателей небольшой и умеренной мощности.

Решаемой задачей предложенной полезной модели является создание более эффективной и экономичной в работе комбинированной парогазотурбинной установки на продуктах гидротермального окисления алюминия, использующей полную энергию сгорания алюминия.

Достигаемый технический результат заключается в устранении указанных недостатков известных технических решений, повышении ресурса, надежности, термодинамической и экономической эффективности комбинированной установки путем совершенствования технологической схемы установки.

Указанный технический результат достигается тем, что в комбинированной парогазотурбинной установке на продуктах гидротермального окисления алюминия, содержащей расходную емкость суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде, насос высокого давления, реактор, регулирующие клапаны на линии ввода суспензии алюминия и линиях вывода пароводородной смеси и суспензии твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, емкость сбора твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, паро-водородную турбину, согласно полезной модели, выход пароводородной турбины по пароводородной смеси соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с камерой сгорания, вход которой по воздуху соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с воздушным компрессором, выход камеры сгорания по парогазовой смеси соединен с газовой турбиной, выход которой по парогазовой смеси соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с конденсатором, выход которого по воде соединен через подкачивающий насос с расходной емкостью суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде.

Описание на 5 л, ф-ла 1 пп., илл. 1 л.

В последние годы в рамках водородной энергетики активно проводятся разработки автономных экологически чистых энергоустановок. Применение водорода в качестве топлива для этих установок обеспечивает их высокий термический КПД и благоприятные экологические показатели. Однако, поскольку хранение и транспортировка водорода связана с серьезными техническими проблемами, перспективными представляются энергетические установки на основе окисления алюминия в высокотемпературном водяном (гидротермальном) потоке с производством водорода на месте его потребления.

В основу положен способ производства водорода гидролизом мелкодисперсных порошков алюминия, осуществляемый в реакторе высокого давления с получением товарных гидроксидов алюминия (бемита):

Al+2H₂OAlOOH+1,5H₂+Q

Параметры продуктов реакции (состав, температура, давление) полностью определяются параметрами реакционной зоны реактора, и прежде всего, массовым соотношением алюминия и воды. При этом теплота реакции Q (15,3 МДж/кг Al) идет на подогрев компонентов топлива и продуктов реакции и испарение избытка воды, так что в реакторе образуется пароводородная смесь с температурой, равной температуре насыщения паров воды при соответствующем парциальном давлении паров воды в смеси.

Известна установка, содержащая реактор гидротермального окисления алюминия - камеру сгорания, пароводородную турбину, сепаратор для очистки пароводородной смеси от оксидов алюминия, теплообменник-рекуператор для производства горячей воды и перегретого пара, используемых в качестве окислительной компоненты топливной композиции и теплообменное оборудование для конденсации пара и сепарации воды и водорода из пароводородной смеси (T.F.Miller, J.L.Wolter, D.H.Kiely "A Next-Genevation AUV Energy Sistem Based on Aluminum-Seawater Combustion" IEEE/OES AUV 2002 Worкshop on AUV Energy Sistem, San Antonio, TX).

В известной установке реактор гидротермального окисления алюминия представляет собой вихревую камеру сгорания высокого давления для генерации высокотемпературного потока пароводородной смеси с большим содержанием оксидов алюминия, надежную работу газовой пароводородной турбины обеспечивает сепаратор-отделитель твердой фазы, теплообменник-рекуператор используется для регенерации тепловой энергии пароводородного потока. К недостаткам известного устройства следует отнести недоиспользование химической энергии генерируемого водорода, что приводит к недостаточно высокой термической эффективности процесса производства электроэнергии, составляющей 20÷26%, а также проблему эффективной сепарации твердых продуктов реакции.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является автономная комбинированная энергетическая установка, содержащая реактор гидротермалыюго окисления порошкообразного алюминия, средства для утилизации тепловой энергии и водорода в электрохимическом генераторе на топливных элементах, блоки питания и управления работой установки (см. патент РФ 2388649, опублик. 10.05.2010 - прототип).

Особенностью известной энергетической установки является то, что она содержит бункер с порошком алюминия, подающее устройство, смеситель, насос высокого давления, распылительное устройство, указанный реактор, дроссельные регуляторы, конденсаторы, фильтр, осушитель водорода, электрохимический генератор, питательную емкость с водой и емкость сбора твердых продуктов реакции, при этом установка снабжена пароводородной турбиной, теплообменниками-конденсаторами и сепараторами, насосом высокого давления воды, котлом утилизатором, который связан с химическим реактором через дроссельный регулятор, а также соединен с электрохимическим генератором, пароводородной турбиной и через теплообменник-конденсатор с сепаратором, а пароводородная турбина через теплообменник-конденсатор, сепаратор, дроссельный регулятор, фильтр и осушитель водорода соединена с электрохимическим генератором.

В известной установке образующаяся в реакторе пароводородная смесь расширяется в пароводородной турбине до давления близкого к атмосферному и далее поступает в теплообменник-конденсатор, где осуществляется конденсация водяного пара из пароводородной смеси, откуда влажный водород направляется через сепаратор, дроссельный регулятор и фильтр в осушитель водорода и затем в водородовоздушный электрохимический генератор, где осуществляется прямое преобразование химической энергии водорода в электрическую, КПД комбинированной установки достигает ~35%; суспензия твердых продуктов реакции с водой через дроссельный клапан, в котором ее давление сбрасывается до атмосферного, поступает в емкость сбора твердых продуктов реакции, откуда насыщенный водяной пар направляется в конденсатор, а вода возвращается в питательную емкость с водой. Параметры процесса поддерживаются на уровне Т=310±10°C, Р=11÷12 МПа. Температурный режим поддерживается за счет тепловой реакции при соотношении масс воды и алюминия (8,0÷8,2):1.

Надежное функционирование известной энергетической установки связано с возможностью осуществления непрерывной работы установки и регулирования производительности водорода и, следовательно, мощности комбинированной энергоустановки с помощью насоса высокого давления в широких пределах. К недостаткам известной установки следует отнести высокую стоимость (до 5000 USD/кВт) и малый ресурс работы водородовоздушного электрохимического генератора, повышенные требования к качеству водорода, поступающего в электрохимический генератор, проблемы утилизации низкопотенциального тепла из электрохимического генератора в системе теплоснабжения вследствие низкой рабочей температуры электрохимического генератора на основе твердополимерного топливного элемента.

Указанный технический результат достигается тем, что в комбинированной парогазотурбинной установке на продуктах гидротермального окисления алюминия, содержащей расходную емкость суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде, насос высокого давления, реактор, регулирующие клапаны на линии ввода суспензии алюминия и линиях вывода пароводородной смеси и суспензии твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, емкость сбора твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, пароводородную турбину, согласно полезной модели, выход пароводородной турбины по пароводородной смеси соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с камерой сгорания, вход которой по воздуху соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с воздушным компрессором, выход камеры сгорания по парогазовой смеси соединен с газовой турбиной, выход которой по парогазовой смеси соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с конденсатором, выход которого по воде соединен через подкачивающий насос с расходной емкостью суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде.

Такое выполнение полезной модели позволяет решить поставленную задачу создания более эффективной и экономичной в работе комбинированной парогазотурбинной установки на продуктах гидротермального окисления алюминия, в которой используется полная энергия сгорания алюминия, а также достичь указанный технический результат, заключающийся в повышении ресурса, надежности, термодинамической и экономической эффективности комбинированной установки.

На фигуре представлена блок-схема предложенной комбинированной парогазотурбинной установки на продуктах гидротермального окисления алюминия.

Энергоустановка включает расходную емкость 1 суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде, где порошок алюминия смешивается с водой. Водная суспензия алюминия с массовым соотношением H₂O:Al~8÷9:1 непрерывно готовится в расходной емкости 1 суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде и далее насосом высокого давления 2 непрерывно подается в реактор 3, где генерируется пароводородная смесь высокого давления (10÷20 МПа, То=310÷360°C), подаваемая далее в пароводородную турбину 4, где расширяется до давления ~1,0 МПа. После турбины пароводородная смесь направляется в первую секцию секционированного теплообменника-рекуператора 5, где нагревается до ~900÷1000 К и подается в камеру сгорания 6, куда также поступает компримированный и нагретый во второй секции секционированного теплообменника-рекуператора 5 до ~700÷800 К воздух горения после воздушного компрессора 7, а продукты сгорания (парогазовая смесь) из камеры сгорания 6 далее расширяются в газовой турбине 8 и затем поступают в секционированный теплообменник-рекуператор 5, где отдают тепло пароводородному потоку (первая секция) и компримированному воздуху (вторая секция). Охлажденные таким образом продукты сгорания (пароазотная смесь), содержащие значительное количество воды в виде пара конденсируются в охлаждаемом сетевой водой конденсаторе 9, после которого вода подкачивающим насосом 10 возвращается в цикл (в расходную емкость 1), а азот выбрасывается в атмосферу. При этом тепло конденсации передается сетевой воде на теплофикацию, а коэффициент использования тепла топлива комбинированной энергоустановки достигает 60÷65%.

Водная суспензия твердых продуктов гидротермального окисления алюминия направляется в емкость 11 сбора твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, где происходит разделение твердых продуктов гидротермального окисления алюминия и воды, а вода возвращается в расходную емкость 1 суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде. Компенсация потерь воды на производство водорода и твердых продуктов гидротермального окисления алюминия осуществляется подачей воды в расходную емкость извне.

КПД такой комбинированной парогазотурбинной установки достигает 35÷40% за счет использования теплоты сгорания алюминия в пароводородной турбине, теплоты сгорания водорода из пароводородной смеси и дополнительного использования энтальпии отработавшей в турбине пароводородной смеси и компримированного воздуха после компрессора, подогретых в рекуператоре уходящими газами газовой турбины; при этом наличие в топливной пароводородной смеси водяного пара дает возможность работы второго газотурбинного двигателя на предельно допустимой температуре (~1500÷1600 К) при коэффициентах избытка окислителя в камере сгорания на уровне 1,0 (стехиометрическое соотношение), что значительно снижает мощность воздушного компрессора и обеспечивает наряду с длительным ресурсом работы ГТУ (десятки тысяч часов) и низкой стоимостью (~500 USD/KBT) радикальное подавление эмиссии NO_x до единиц ppm.

Комбинированные парогазотурбннные установки на продуктах гидротермального окисления алюминия являются перспективными для замещения энергетических установок, работающих на жидких углеводородах в децентрализованной энергетике, в районах с высокой экологической напряженностью, например, в мегаполисах, в качестве резервных установок, в том числе для покрытия пиковых нагрузок, а также для специальных применений.

Комбинированная парогазотурбинная установка на продуктах гидротермального окисления алюминия, содержащая расходную емкость суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде, насос высокого давления, реактор, регулирующие клапаны на линии ввода суспензии алюминия и линиях вывода пароводородной смеси и суспензии твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, емкость сбора твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, пароводородную турбину, отличающаяся тем, что выход пароводородной турбины по пароводородной смеси соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с камерой сгорания, вход которой по воздуху соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с воздушным компрессором, выход камеры сгорания по парогазовой смеси соединен с газовой турбиной, выход которой по парогазовой смеси соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с конденсатором, выход которого по воде соединен через подкачивающий насос с расходной емкостью суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде.