Состав металлотермического топлива
Изобретение относится к составам металлотермических топлив, используемых для получения тепла в бытовых топках, топках теплоэлектроцентралей, судов и др. Состав содержит 40-45% окиси железа, 20-22% порошка алюминия, 30-35% окиси алюминия, остальное - гидролизованный этилсиликат. Экономические расчеты показывают, что затраты на производство металлотермических брикетов массой 50-70 грамм в 9-11 раз меньше затрат на получение эквивалентного тепла сжигания физического топлива. 2 табл.
Состав металлотермического топлива относится к области использования нетрадиционных источников энергии и может быть применен для получения тепла в бытовых топках, в топках теплоэлектроцентралей, судов и др.
По совокупности существенных признаков наиболее близкими к данному изобретению являются составы металлотермических смесей на основе оксидов элементов, применяемых для диффузионного поверхностного насыщения стальных изделий /3-5/, но нет примеров использования химического тепла этих составов для бытовых целей и в технике.
Сущность изобретения: предлагается вещество (композиция), состоящее из химических реагентов, вступающих во взаимодействие при нагреве до температуры возбуждения восстановительной реакции, которая сопровождается огромным тепловыделением. Этот эффект был впервые открыт еще в 1859 году русским ученым Н.Н.Бекетовым /1/, согласно которому любой впереди стоящий элемент в ряду активности металлов (Са, Li, Mg, Zr, Al, В, Ti, Si, Cr, Nb, Mn, V, W, Mo) вытесняет при химическом реагировании менее активный элемент (т.е. стоящий после рассматриваемого в этом ряду) из собственных окислов и эта реакция сопровождается существенным тепловым эффектом.
Например, Fe2O3+Al→Аl2О3+Fe+Q
Количество тепла Q, выделяемого при такой реакции, составляет (50...80)·103 ккал/кг, т.е. в 25-30 раз больше теплового эффекта, получаемого от сгорании, например, 1 кг керосина.
Целью данного изобретения является создание относительно дешевого состава из малодефицитных металлотермических смесей, которые с большим успехом можно использовать в быту и технике.
Поставленная задача может быть решена путем установления оптимального состава металлотермической смеси на основе оксидов железа, принятием мер по противопожарной безопасности за счет введения теплопоглощающих добавок рационального количества.
Для достижения этой цели и определения оптимального соотношения компонентов металлотермической смеси были проведены подробные исследования по оценке теплотворной способности исследуемого объекта с изменением соотношения его основных реагентов. Для этого спроектирована и изготовлена специальная установка измерения теплового эффекта от сжигания металлотермической смеси.
Составы исследованных металлотермических смесей и результаты замера температуры окружающей среды при их сжигании приведены в таблице 1.
| Таблица 1 Составы исследованных металлотермических смесей с различным содержанием восстановителя (Аl) | |||||
| № | Состав смеси, мас.% | Температура окружающей среды, °С | |||
| 1 замер | 2 замер | 3 замер | Т сред. | ||
| 1 | 95Fе2O3+5Аl | 660 | 640 | 655 | 650 |
| 2 | 90Fе2O3+10Аl | 1030 | 1050 | 1040 | 1040 |
| 3 | 85Fе2O3+15Аl | 1640 | 1625 | 1630 | 1630 |
| 4 | 80Fе2O3+20Аl | 1920 | 1940 | 1930 | 1930 |
| 5 | 75Fе2O3+25Аl | 1990 | 1980 | 1970 | 1980 |
| 6 | 70Fе2O3+30Аl | 2110 | 2600 | 2120 | 2120 |
| 7 | 65Fе2O3+35Аl | 2250 | 2230 | 2240 | 2240 |
Из этих данных можно заключить, что полное восстановление (сгорание) металотермической смеси достигается при содержании 20% Аl и более.
Из экспериментальных данных вытекает также, что средняя температура окружающей среды при сгорании брикета с 20%Аl достигает 1930°С. Это недопустимо высокая степень разогрева элементов печи, топок, котлов. Необходимо принять меры снижения температуры реакции за счет введения в состав металлотермических смесей теплопоглощающих (балластных) добавок. В этом качестве нами использована добавка химически пассивного глинозема (Аl2О3).
Исследования теплового эффекта при сжигании смесей с оптимальным содержанием восстановителя (20%Аl) и изменяющимся количеством теплопоглотителя (10-50%Аl2O3) показали (табл.2), что наиболее практически пригодной является металлотермическая смесь, содержащая 30% балластной добавки. При сжигании смеси такого состава средняя температура окружающей среды повышалась до 1210°С, что вполне допустимо для топок.
| Таблица 2 Температурное состояние окружающей среды при сжигании металлотермических брикетов с различным содержанием балластной добавки (Аl2О3) | |||||
| № | Состав смеси, мас.% | Температура окружающей среды,°С | |||
| 1 замер | 2 замер | 3 замер | Т сред. | ||
| 1 | 70Fе2O3+20Аl+10Аl2O3 | 1820 | 1840 | 1835 | 1830 |
| 2 | 60Fе2O3+20Аl+20Аl2O3 | 1410 | 1410 | 1430 | 1420 |
| 3 | 50Fе2O3+20Аl+30Аl2O3 | 1200 | 1220 | 1210 | 1210 |
| 4 | 40Fе2O3+20Аl+40Аl2O3 | 800 | 820 | 820 | 820 |
| 5 | 30Fе2O3+20Аl+50Аl2O3 | 640 | 640 | 660 | 650 |
Для удобства долговременного хранения и транспортировки нового теплоносителя разработана технология производства цилиндрических брикетов массой 60 г. При этом в их состав дополнительно вводили связующие добавки (гидролизованный этилсиликат), не создающие атмосфероотравляющие выделения при сжигании.
Была изготовлена и апробирована в бытовых топках партия таких брикетов (400 штук), подтвердившая наши прогнозы.
Задача использования тепла металлотермических реакций для бытовых целей в мировой практике решается впервые. В данном изобретении в качестве потенциальных теплоносителей предлагается использовать окислы железа (железную руду), восстановителем является алюминий (алюминиевая пудра, порошок).
Новизна темы состоит в том, что при решении поставленной задачи резко расширяется круг используемых теплоносителей. При этом металлотермические среды имеют неиссякаемые запасы в земной коре и с успехом могут заменить для человека катастрофически иссякающее углеводородное и углеродное сырье.
Результаты изобретения можно использовать как для бытовых, так и для промышленных целей.
В бытовом отношении металлотермические брикеты легко могут заменить в топках дрова, уголь, газ, керосин. Их можно также использовать для топок центральных котелен, тепловых электростанций, судов. По нашим расчетам (см. приложение 1) брикет из металлотермической смеси массой 16 грамм по теплотворной способности может заменить 1 кг угля.
Предлагаемая технология использования металлотермической смеси экологически безопасна, так как в процессе горения нет газовыделений, отходы горения нетоксичны и безопасны для будущих поколений. Более того, утилизация отходов сжигания металлотермической смеси целесообразна с целью извлечения из них химически чистых восстановленных элементов (железа).
Список использованных источников
1. Байков А.А. Восстановление и окисление металлов. - Металлургия, 1926, №3.
2. Воршнин Л.Г. Антикоррозионные диффузионные покрытия. - Минск: Наука и техника, 1981. - 296с.
3. Абачараев М.М., Абачараев И.М. Металлотермия - эффективный источник возобновляемой энергии. - Двигателестроение, 1999, №3, с.39-40.
4. Абачараев М.М., Хаппалаев А.Ю. Защитные покрытия в промышленности. Махачкала: Дагкнигоиздат, 1986. - 108 с.
5. Абачараев М.М., Прессман Ю.Н. Состав для хромоалитирования изделий и сплавов. - А.с. СССР №1157130, 1985.
Состав металлотермического топлива, содержащий окись железа, порошок алюминия окись алюминия и гидролизованный этилсиликат при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Окись железа | 40-45 |
| Порошок алюминия | 20-22 |
| Окись алюминия | 30-35 |
| Гидролизованный этилсиликат | остальное |
