Экологичный способ получения тепловой энергии

 

Изобретение может быть использовано для получения тепловой энергии, в частности в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, а также может быть использован на тепловых электростанциях. Изобретение позволяет повысить экологичность способа получения тепловой энергии за счет исключения выброса в атмосферу вредных веществ, таких, как окись углерода и окислы азота, при одновременном повышении количества получаемой тепловой энергии. Способ получения тепловой энергии заключается в том, что подают в рабочий объем топливную смесь, включающую по меньшей мере окислитель и природный газ, преимущественно метан, воспламеняют и сжигают топливную смесь. Предлагается в качестве окислителя использовать кислород, а после воспламенения топливной смеси предлагается дополнительно подавать в рабочий объем пероксид водорода. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к топливно-энергетической промышленности и может быть использовано для получения тепловой энергии, в частности в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, а также может быть использовано на тепловых электростанциях.

Известен способ получения тепловой энергии, при котором производят сжигание бензина или пропан-бутановой газовой смеси в присутствии воздуха [1]. Способ используется в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания для получения тепловой энергии для последующего ее преобразования в механическую. Недостатком способа является низкая экологичность, что обусловлено выделением вредных веществ, являющихся побочными продуктами сгорания, в том числе окиси углерода и окислов азота.

Известен наиболее близкий к предлагаемому способ получения тепловой энергии, при котором подают в рабочий объем топливную смесь, включающую метан и воздух, являющийся окислителем, воспламеняют и сжигают топливную смесь [2]. Способ также обладает низкой экологичностью, обусловленной выделением в атмосферу вредных веществ, таких как окись углерода (угарный газ) и окислы азота.

Изобретение направлено на решение задачи повышения экологичности способа получения тепловой энергии за счет исключения выброса в атмосферу вредных веществ, таких, как окись углерода и окислы азота, при одновременном повышении количества получаемой тепловой энергии.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения тепловой энергии, при котором подают в рабочий объем топливную смесь, включающую по меньшей мере окислитель и природный газ, преимущественно метан, воспламеняют и сжигают топливную смесь, предлагается в качестве окислителя использовать кислород, а после воспламенения топливной смеси предлагается дополнительно подавать в рабочий объем пероксид водорода.

При этом подача пероксида водорода может производиться путем смешивания его с природным газом.

Подача пероксида водорода производится после воспламенения топливной смеси преимущественным образом тогда, когда температура топливной смеси в рабочем объеме установится не меньшей, чем температура разложения пероксида водорода.

Пероксид водорода используют, преимущественно, в виде 80%-ного водного раствора. Подачу пероксида водорода производят преимущественным образом в присутствии оксида марганца.

В предлагаемом изобретении использование кислорода в качестве окислителя, в отличие от воздуха, позволяет избежать выделения в атмосферу окислов азота и других вредных веществ и, в то же время, активизирует процесс горения метана, увеличивая количество получаемой тепловой энергии.

Подача в рабочий объем пероксида водорода после воспламенения топливной смеси приводит к тому, что окись углерода, образующаяся после воспламенения во время сжигания метана, дополнительно окисляется пероксидом водорода до углекислого газа. В то же время происходит увеличение получаемой тепловой энергии за счет добавочной энергии, выделяющейся при разложении пероксида водорода.

Подача пероксида водорода в рабочий объем после того, как температура топливной смеси и рабочем объеме установится не меньшей, чем температура разложения пероксида водорода, интенсифицирует процесс разложения пероксида водорода.

Подача в рабочий объем пероксида водорода путем смешивания его с природным газом позволяет использовать способ в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания для получения тепловой энергии и последующего ее преобразования в механическую.

Использование пероксида водорода преимущественно в виде 80%-ного водного раствора позволяет оптимизировать процесс разложения пероксида водорода, поскольку при увеличении концентрации пероксида водорода в водном растворе увеличивается его взрывоопасность, а при уменьшении концентрации снижаются окислительные свойства раствора.

Присутствие оксида марганца в качестве катализатора способствует наиболее полному разложению пероксида водорода, что также увеличивает количество выделяемой тепловой энергии.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит рабочий объем 1, снабженный патрубком 2 для подачи кислорода. Трубопровод 3 соединяет рабочий объем 1 с распределительным объемом 4, который снабжен заслонкой 7, патрубком 5 для подачи метана и патрубком 6 для подачи пероксида водорода.

Рабочий объем 1 может, например, представлять собой цилиндр карбюраторного двигателя внутреннего сгорания, а распределительный объем 4 - карбюратор.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью вышеописанного устройства следующим образом.

Способ осуществляется в два этапа. На подготовительном этапе заслонка 7 ставится в первое положение, при котором в трубопровод 3, а следовательно и в рабочий объем 1, возможен доступ метана из распределительного объема 4, а доступ пероксида водорода невозможен. В результате чего рабочий объем 1 наполняется метаном. Одновременно в рабочий объем 1 через патрубок 2 подают кислород, после чего образовавшуюся топливную смесь воспламеняют посредством воспламенительного устройства (на чертеже не показано), в качестве которого может быть использована, например, свеча зажигания. При горении метана происходит его окисление кислородом и разложение на окись углерода и водород с выделением тепловой энергии, за счет которой происходит постепенное нагревание топливной смеси и рабочего объема 1.

После того, как температура топливной смеси в рабочем объеме 1 установится не меньшей, чем температура разложения пероксида водорода, т.е. не менее 1100^oC, начинается основной этап. Заслонка 7 ставится во второе положение, при котором в трубопровод 3, а следовательно и в рабочий объем 1, возможен одновременный доступ метана и пероксида водорода из распределительного объема 4. Метан и пероксид водорода смешиваются, проходя через трубопровод 3, после чего поступают в рабочий объем 1. Процесс горения топливной смеси в рабочем объеме 1 продолжается при участии пероксида водорода, при этом происходит разложение метана на окись углерода и водород, разложение пероксида водорода на кислород и водород и последующее полное окисление этих продуктов распада. Окись углерода окисляется до углекислого газа, а водород окисляется до воды, то есть продуктами распада являются экологически чистые вещества. В целом процесс сжигания топливной смеси может быть описан следующей формулой: где me - массовая единица (г, кг).

Тепловая энергия, получаемая в результате реализации предлагаемого способа, т. е. тепловая энергия, выделяющаяся в процессе этой реакции, складывается из трех составляющих: 2 · 390 - 2·188 + 3,5·571 = 2402,5 кДж, где первая составляющая отражает процесс окисления углерода; вторая составляющая отражает процесс разложения пероксида водорода; а третья составляющая отражает процесс окисления водорода. Таким образом в процессе окисления водорода, который предварительно выделяется при распаде пероксида водорода, образуется около 800 кДж/моль или около 1600 кДж энергии.

Пероксид водорода может подаваться в рабочий объем в присутствии катализатора - оксида марганца, который предварительно наносят на внутреннюю поверхность в той зоне трубопровода 3, где температура не превышает 500^oC. При этом в процессе сжигания топливной смеси, содержащей пероксид водорода, подвергнутый воздействию оксида марганца, пероксид водорода разлагается на кислород и воду. Воздействие на пероксид водорода оксида марганца способствует ускорению разложения пероксида водорода и увеличению количества выделяемой тепловой энергии. Тепловая энергия выделяющаяся в процессе реакции, проходящей с участием катализатора, складывается из следующих составляющих 2·390 + 2·98 + 3·571 = 2689 кДж, из чего следует, что в процессе окисления водорода, который предварительно выделяется при распаде пероксида водорода, образуется около 900 кДж/моль или около 1800 кДж энергии, что больше на 200 кДж, чем в случае отсутствия катализатора.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение количества получаемой тепловой энергии, так, например, при сгорании одного килограмма смеси бензина и воздуха количество этой энергии составляет 9015 кДж [1], а при сгорании одного килограмма предлагаемой топливной смеси без катализатора - 10045 кДж, а в присутствии катализатора - 11245 кДж. Наряду с повышением количества выделяемой тепловой энергии, предлагаемый способ, по сравнению с известными, является более экологичным, так как позволяет получать тепловую энергию без выброса в атмосферу таких вредных веществ, как угарный газ и окислы азота.

Источники информации 1. Аксешин В.А. и др. Газоболонная аппаратура нового поколения для легковых автомобилей. М., Транспорт, 1995.

2. Реутов О.А. Органический синтез. М., 1954.

Формула изобретения

1. Способ получения тепловой энергии, при котором подают в рабочий объем топливную смесь, включающую по меньшей мере окислитель и природный газ, преимущественно метан, воспламеняют и сжигают топливную смесь, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют кислород, а после воспламенения топливной смеси в рабочий объем дополнительно подают пероксид водорода.

2. Способ получения тепловой энергии по п.1, отличающийся тем, что подачу пероксида водорода производят путем смешивания его с природным газом.

3. Способ получения тепловой энергии по п.1, отличающийся тем, что подачу пероксида водорода производят после воспламенения топливной смеси, когда температура топливной смеси в рабочем объеме установиться не меньшей, чем температура разложения пероксида водорода.

4. Способ получения тепловой энергии по п.1, отличающийся тем, что пероксид водорода используют преимущественно в виде 80% водного раствора.

5. Способ получения тепловой энергии по п.1, отличающийся тем, что пероксид водорода производят преимущественно в присутствии оксида марганца.

РИСУНКИ

Рисунок 1