Способ получения искусственной газовой смеси

 

Сущность изобретения: отработавшие газы очищаются в реакционном объеме щелочно-земельными металлами и после турбогенератора и теплообменника смешиваются с чистым кислородом в смесителе. 1 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для очистки отработавших газов (ОГ) тепловых двигателей (например двигателей внутреннего сгорания) от продуктов сгорания органического топлива с целью получения искусственной газовой смеси (ИГС) для работы их в условиях ограниченной связи с атмосферой.

Известен способ получения ИГС, и принятый за прототип, заключающийся в том, что ОГ охлаждают водой, сконденсировавшиеся из них водяные пары отводят из системы, а охлажденные и частично осушенные газы вводят в контакт с гранулированной перекисью или надперекисью щелочного металла, например калия (КО₂), посредством чего осуществляют поглощение двуокиси углерода и выделение кислорода. Полученную смесь используют для сжигания топлива.

Наиболее принципиальный недостаток способа - его низкая эффективность, обусловленная отсутствием утилизации теплоты ОГ и химических реакций вследствие низкого термодинамического потенциала, при котором она отводится.

Цель изобретения - повышение эффективности способа.

Поставленная цель достигается тем, что очистку ОГ проводят щелочноземельными металлами (например магнием) в реакционном объеме в диапазоне температур в зоне реакции 1000-1400^оС. Щелочноземельный металл подают в зону реакции нисходящими потоками, а ОГ - восходящими потоками. Из продуктов реакции удаляют твердую фазу, термодинамический потенциал газовой фазы срабатывают для получения полезной работы и направляют ее в смеси с газообразным кислородом в камеру (камеры) сгорания теплового двигателя, ограничивая при этом подачу туда органического топлива таким образом, чтобы суммарный тепловой эффект от сжигания горючих компонентов газовой фазы и органического топлива был бы достаточен для получения необходимой работы на данном нагрузочном режиме теплового двигателя.

Таким образом, отличительные особенности изобретения сообщают ему признаки, соответствующие критерию "существенные отличия". По имеющимся сведениям технические решения с указанной совокупностью признаков отсутствуют, что позволяет сделать вывод о соответствии способа получения ИГС критерию "новизна".

Сущность предлагаемого способа получения ИГС заключается в следующем. Отработавшие высокотемпературные газы вводят в реакционный объем восходящими потоками, куда нисходящими потоками подают щелочноземельный металл (например магний) в порошкообразном (или гранулированном) виде. Посредством прямого контакта ОГ с щелочноземельным металлом осуществляют реакцию продуктов сгорания органического топлива и металла по обобщенному уравнению 2Mg + CO₂ + H₂O ->> 2MgO + CO + H₂ + Q, в ходе которой окисляют щелочноземельный металл кислородом из продуктов сгорания, преобразуя последние в окись углерода и водородом. В реакции выделяется количество теплоты Q, равное произведению теплового эффекта реакции (либо теплотворной способности Mg, если его рассматривать как топливо, Q_р^н = 15073 кДж/кг) на количество участвующего в реакции магния.

Если рассматривать протекание реакции при стехиометрических условиях, то для преобразования продуктов сгорания 1 кг органического топлива необходимо затратить 3,24 кг магния. Тогда в реакции выделяется теплота Q = Q_pMg^н˙ G_Mg = 15073 3,24 = 48836 кДж на каждый кг сжимаемого топлива. За счет выделившейся в реакции теплоты поддерживают требуемую темпеpатуpу в зоне реакции (1000-1400^оС), одновременно повышая термодинамический потенциал инертного наполнителя ИГС и газообразных продуктов реакции, что дает возможность утилизации большего количества теплоты. Кроме того, в результате реакции в составе газовой фазы получают синтез-газ (Н₂+СО), пригодный для использования в качестве топлива.

Твердые продукты реакции (MgO) выводят из зоны реакции, а газовую фазу смешивают с кислородом и подают для сжигания топлива. Во избежание повышения давления в системе подготовки ИГС вследствие накопления газообразных продуктов реакции очистки ОГ, их направляют в камеру сгорания, ограничивая при этом подачу туда органического топлива с таким расчетом, чтобы тепловой эффект от сжигания органического топлива и "синтез-газа" был бы достаточен для получения необходимой работы на данном нагрузочном режиме.

На чертеже схематично представлено устройство для реализации способа.

Устройство включает реактор 1, сепаратор твердой фазы 2, накопитель твердой фазы 3, силовой турбогенератор 4, охладитель-испаритель 5, смеситель 6, регулятор подачи кислорода 7, систему генерации кислорода 8, турбогенератора контура низкокипящего вещества 9, конденсатор 10.

Устройство работает следующим образом. ОГ из двигателя поступают в реактор 1, куда одновременно подается щелочноземельный металл (например магний). В реакторе происходит очистка газов с выделением теплоты, которая используется для поддержания заданной температуры в зоне реакции (1000-1400^оС) и на повышение термодинамического потенциала газовой фазы. Твердые продукты реакции собираются в накопителе 3, а газообразные - через сепаратор 2 поступают в сопловой направляющий аппарат турбогенератора 4, срабатывают часть своего термодинамического потенциала и, охладившись в охладителе-испарителе 5, поступают в смеситель 6, куда через регулятор 7 подается газообразный кислород из системы генерации кислорода 8. Из смесителя 6 полученная ИГС поступает на сжигание топлива в камеру сгорания. Пар низкокипящего вещества после охладителя-испарителя 5 совершает полезную работу в турбогенераторе 9 и, сконденсировавшись в конденсаторе 10, самотеком или насосом (на схеме не показан) возвращается в охладитель-испаритель 5. Твердые продукты реакции, отделившиеся в сепараторе 2, собираются в накопителе твердой фазы 3.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого решения заключается в возможности получения дополнительной работы за счет более полной утилизации теплоты ОГ, утилизации теплоты реакции термохимической очистки ОГ и использования теплотворной способности газообразных продуктов реакции термохимической очистки ОГ.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОЙ ГАЗОВОЙ СМЕСИ, включающий химическую очистку отработавших газов двигателя внутреннего сгорания посредством твердых реагентов в реакционном объеме и смешение очищенных отработавших газов с газообразным кислородом, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности, очистку отработавших газов осуществляют щелочноземельными металлами при 1000 - 1400^oС путем подачи последних в зону реакции нисходящими потоками, а отработавших газов - восходящими, удаления твердой фазы, направления очищенных отработавших газов в турбогенератор и охлаждения в теплообменнике.

РИСУНКИ

Рисунок 1