Способ производства энергии

Изобретение относится к энергетике, конкретнее к способам производства тепловой энергии за счет сжигания топлива в окислителе, и кроме того, может быть использовано для получения кремния и редких тугоплавких металлов. В топливном цикле, в основе которого лежит сжигание органического топлива, организуют круговорот органического топлива и его окислителя, в качестве которого используют элементный фтор. Для этого вводят в процесс неорганическое топливо в виде диоксида кремния или оксида редкого металла, относящегося к группе тугоплавких и образующего с фтором летучее соединение, и сжигают его, используя в качестве окислителя образующийся в результате горения органического топлива тетрафторид углерода. Из полученных продуктов горения, а именно фторида кремния или фторида редкого металла, восстанавливают кремний или редкий металл, получая одновременно элементный фтор, а из углекислого газа, также с использованием элементного фтора и восстановленного кремния или металла, воспроизводят чистый углерод, направляя его, как и элементный фтор, на первоначальную операцию сжигания углерода. Способ позволяет получать не только тепловую энергию, но и чистый полупроводниковый кремний. Способ позволяет практически исключить вредные химические и тепловые выбросы в атмосферу, повысить КПД от операций горения, экономить топливные ресурсы. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к энергетике, а именно к способам получения тепловой энергии путем сжигания органического и неорганического топлива в окислителе. Частично может быть использовано в химической промышленности для получения кремния и редких тугоплавких металлов.

Уровень техники

Наиболее распространен способ получения энергии путем сжигания органического топлива в атмосферном воздухе, на его долю приходится примерно 80% потребляемой энергии. Указанный способ прост, однако он имеет ряд существенных недостатков:

- источники органического топлива, из которых основными являются месторождения угля, нефти, газа, лес, истощаются и не могут быстро возобновляться;

- коэффициент полезного действия от выделившегося при сгорании тепла не превышает 40-42%:

- при осуществлении способа в промышленном масштабе происходит сильное тепловое и химическое загрязнение окружающей среды парниковыми газами и твердыми отходами.

Предпринимаемые попытки избавится от этих недостатков, за счет предварительной подготовки, газификации органического сырья, использования его различных видов и форм, модернизации аппаратурного оформления процесса сжигания, введения избытка воздуха, необходимого для сжигания топлива, относительно стехиометрически необходимого количества, и проч. не дали существенных результатов. Проведение мероприятий очистки и обезвреживания вредных парниковых газов, образующихся в результате сгорания, углекислого газа, оксидов азота, сернистого газа и др., приводит к значительному удорожанию и нерентабельности производства.

Известен способ (см. патент на изобретение GB, №2271419, кл. F 23 D 14/32, 1994 г.) переработки твердого топлива путем сжигания его с использованием в качестве окислителя чистого кислорода, за счет чего исключают наличие примесей, имеющих место при горении углерода в атмосферном воздухе, снижается количество химических и тепловых выбросов в атмосферу, кроме того, получаемый достаточно чистый продукт горения может быть использован для дальнейшей переработки. Однако стоимость чистого кислорода без его рецикла очень высока, что приводит к экономической невыгодности производства энергии.

Известен способ получения энергии за счет осуществления ядерных и термоядерных реакций. Доля ядерной энергетики составляет около 17% производства. Однако несмотря на свои достоинства, способ характеризуется высокой опасностью эксплуатации, происходит постоянное образование и накопление высокорадиоактивных отходов производства, способы обезвреживания которых, не разработаны, и уничтожение которых представляет собой большую проблему. Термоядерный способ получения энергии не вышел из стадии лабораторных обоснований его осуществимости.

Известны и имеют практическое применение способы получения энергии от возобновляемых источников: солнца, ветра, приливов и др. (см. Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии. М.: Энергоатомиздат, 1990). Указанные способы являются экологически чистыми и независимыми, однако энергосистемы, работающие на указанных источниках, имеют ограниченное применение из-за низкой стабильности выходной мощности, кроме работающих на солнечной энергии, зависимости от местных условий, дорогостоящего оборудования.

Наиболее близким по наличию существенных признаков техническим решением является способ переработки твердого топлива (см. описание изобретения патент RU №2099394, МПК: C 10 J 3/86, опубл. 1997.12.20). Способ включает сжигание органического топлива в окислителе, в качестве которого выступают кислород атмосферного воздуха и чистый кислород, отбор выделяющегося при горении тепла, и дальнейшую переработку продуктов реакции горения, а именно углекислого газа в химическое сырье. Энергохимическая переработка топлива позволяет более рационально использовать топливное сырье, получая кроме тепла еще химическую продукцию, способствует уменьшению вредных выбросов. Однако способ не решает проблему истощаемости сырьевых ресурсов, является дорогостоящим, при этом проблема загрязнения окружающей среды химическими и тепловыми отходами полностью не решена. Раскрытие изобретения

Заявляемым изобретением решается задача разработки способа производства энергии, в основе которого лежит традиционное сжигание топлива, при этом минимизированы отходы производства, решена проблема загрязнения и разрушения окружающей среды, и в котором, кроме получения тепловой энергии, возможно получение полупроводникового кремния для производства солнечной энергии.

Поставленная задача решена за счет того, что в способе производства энергии, включающем сжигание органического топлива в окислителе, отбор тепла, выделяющегося в результате горения, и переработку углекислого газа, согласно заявляемому изобретению в качестве окислителя для сжигания органического топлива используют элементный фтор, вводят в процесс неорганическое топливо в виде диоксида кремния или оксида редкого металла, относящегося к группе тугоплавких и образующего с фтором летучее соединение, и сжигают его, используя в качестве окислителя тетрафторид углерода, образующийся в результате горения органического топлива, полученную газовую смесь разделяют с выделением углекислого газа и, соответственно, фторида кремния при использовании диоксида кремния или фторида редкого металла при использовании оксида редкого металла, из фторида восстанавливают, соответственно, кремний или редкий металл, получая одновременно элементный фтор, а углекислый газ перерабатывают до полного восстановления углерода, сжигая его в части элементного фтора, полученного при упомянутом восстановлении, разделяя образовавшуюся газовую смесь с выделением теграфторида углерода и сжигая в последнем часть восстановленного, соответственно, кремния или редкого металла, полученный чистый углерод, как и элементный фтор, возвращают на начальную операцию сжигания органического топлива, а образовавшийся при переработке углекислого газа фторид, соответственно, кремния или редкого металла направляют на операцию упомянутого восстановления, соответственно, кремния или редкого металла.

Вышеприведенная совокупность существенных признаков и последовательность их осуществления позволяет получить новый технический результат, а именно круговорот органического топлива - углерода и его окислителя - элементного фтора.

В отличие от прототипа и других известных способов производства энергии в настоящем решении в качестве окислителя органического топлива использован элементный фтор. Другим отличительным от прототипа признаком является введение в процесс неорганического топлива для его сжигания в тетрафториде углерода, полученном в результате горения органического топлива, и получения промежуточных соединений, из которых можно воспроизвести элементный фтор и углерод.

Возможность введения неорганического топлива обусловлена тем, что фтор является самым сильным из простых веществ окислителем и образует при горении промежуточные вещества, которые сами являются сильными окислителями, например тетрафторид углерода. Однако фтор является очень дорогим окислителем, если его не воспроизводить для повторного расходования, и потому практически не используемым.

В качестве неорганического топлива в заявляемом решении предложено использование диоксида кремния или оксида редкого тугоплавкого металла, образующего с фтором, как и диоксид кремния, летучее соединение, что является необходимым условием. В классическом понимании под термином «топливо» подразумевалось углеродсодержащее топливо или органическое, однако в связи с развитием техники термин стал распространяться на все горючие вещества и материалы, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии, например ядерное топливо, металлическое топливо (см. Технический словарь, М.: Советская энциклопедия, 1976 г., стр.503-504). В основе ядерного и металлического топлива лежат неорганические соединения, что позволяет его именовать неорганическим. К неорганическому топливу относятся также кварцевый песок (SiO₂) и оксиды редких тугоплавких металлов.

В результате сжигания в тетрафториде углерода диоксида кремния образуется фторид кремния и углекислый газ. В результате сжигания в тетрафториде углерода оксида редкого тугоплавкого металла образуется фторид упомянутого металла и углекислый газ. Из фторида кремния, как и из фторида редкого металла, можно осуществить восстановление, соответственно, чистого кремния или редкого металла. Упомянутое восстановление может быть осуществлено любым известным из уровня техники способом, например, путем электролиза в расплаве фторидных солей. Фторид кремния и фториды редких тугоплавких металлов являются близкими по своим физико-химическим свойствам соединениями, поэтому процесс восстановления в обоих упомянутых случаях протекает аналогичным образом и сопровождается получением элементного фтора в чистом виде, позволяющем повторно использовать его в цикле производства энергии без какой-либо дополнительной очистки. Углекислый газ, получаемый в любом из упомянутых случаев выбора неорганического топлива, перерабатывается до получения чистого углерода, при этом процесс переработки осуществляется аналогичным образом и при использовании восстановленного кремния, и при использовании восстановленного редкого металла.

Таким образом, при использовании любого предложенного альтернативного варианта неорганического топлива, а именно: диоксида кремния или оксида редкого металла из ряда тугоплавких, в совокупности с другими существенными признаками изобретения достигается указанный технический результат, а именно осуществляется круговорот органического топлива (углерода) и фтора, что решает проблему дороговизны окислителя и позволяет экономить топливные ресурсы органического сырья. За счет круговорота органического топлива и его окислителя практически полностью исключается тепловое и химическое загрязнение окружающей среды, более того происходит обогащение атмосферы за счет кислорода, выделяющегося в процессе цикла.

КПД (коэффициент полезного действия) от операций горения органического и неорганического топлива в оборотном фторе и тетрафториде углерода без сброса в атмосферу продуктов горения приближается к единице, а количество выделяющегося тепла примерно в 7.45 раз больше, чем при сжигании органического топлива в атмосферном воздухе. Получаемая энергия с использованием круговорота органического топлива и его окислителя во много раз дешевле энергии, получаемой при сжигании органического топлива в атмосферном воздухе.

В известных источниках (см. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.: Свердловск) имеются сведения о круговороте некоторых веществ и химических элементов. Академик В.И.Вернадский выделил группу так называемых циклических химических элементов, среди которых углерод, кислород, азот, и т.д. Однако в известном способе сжигания органического топлива в атмосферном воздухе осуществить круговорот органического топлива - углерода и его окислителя невозможно, т.к. окислитель - атмосферный воздух на ³/₄ состоит из инертных газов (азот, аргон, углекислый газ и другие) и только на ¹/₄ из кислорода. Из образующихся при сжигании газов сложного состава практически и экономически невозможно извлечь ни кислород, ни углерод для осуществления их круговорота. В заявляемом же решении предложен и осуществлен круговорот углерода и его окислителя - фтора, что является новым неизвестным из уровня техники.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

В заявляемом техническом решении предусмотрена возможность значительного увеличения количества производимой энергии за счет использования чистого полупроводникового кремния, полученного при восстановлении тетрафторида кремния, для изготовления солнечных батарей или ФЭП для получения солнечной энергии.

В способе предусмотрена возможность увеличения количества производимой энергии путем введения в процесс дополнительного количества неорганического топлива, аналогичного указанному, т.е. в соответствии с выбором по п.1. формулы, и его сжигания с использованием в качестве окислителя части элементного фтора, полученного на операции восстановления. После разделения образовавшейся в результате горения газовой смеси, выделенный фторид соответственно упомянутому выбору неорганического топлива, кремния или редкого металла направляют на операцию упомянутого восстановления основного цикла производства для получения элементного фтора, а кислород используют для обогащения воздуха.

Отбор выделяющегося тепла осуществляют на всех операциях сжигания, например, посредством теплообменников. При этом непременным условием является исключение сброс газов в атмосферу. Это исключает не только химическое загрязнение атмосферы, но и тепловые потери производства, и тепловое загрязнение окружающей среды.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 - показана принципиальная технологическая схема топливного цикла с круговоротом органического топлива и окислителя;

На фиг.2 - упрощенная принципиальная технологическая схема топливного цикла с круговоротом органического топлива и окислителя, включающего дополнительное введение неорганического топлива;

Осуществление изобретения

Технологический процесс производства энергии с использованием круговорота органического топлива и элементного фтора может быть осуществлен на оборудовании предприятий ядерного топливного цикла. Оборудование, выполненное из углеродистой и нержавеющей сталей, имеет в безводных фторсодержащих средах высокую коррозионную стойкость, что позволяет его эксплуатировать без капремонта не менее 15 лет. Кроме того, на предприятиях при работе с элементным фтором и фторидными соединениями отработано строгое обеспечение санитарных норм.

Пример 1. Принципиальная технологическая схема осуществления способа производства энергии приведена на фиг.1 и включает следующий ряд операций:

1 - сжигание органического топлива в элементном фторе;

2 - отбор тепла;

3 - сжигание неорганического топлива в тетрафториде углерода;

4 - отбор тепла;

5 - выделение нелетучего остатка примесей

6 - разделение газов;

7 - восстановление чистого кремния с одновременным получением элементного фтора;

8 - использование кремния для получения солнечной энергии;

9 - сжигание углекислого газа в элементном фторе;

10 - отбор тепла;

11 - разделение газов;

12 - сжигание порошка кремния в тетрафториде углерода;

13 - отбор тепла;

Операцию 1 сжигания углерода осуществляют в химическом реакторе при избытке элементного фтора. Органическое твердое топливо, например уголь, предварительно размолотый, подают в форсунку реактора. Элементный фтор, являющийся самым сильным из простых веществ окислителей, также подают в реактор специальной фтородувкой. Газовзвесь вспыхивает без какого-либо подогрева и сгорает в факеле по реакции:

Реакция горения (1) является экзотермической. Газовую смесь, полученную в результате реакции и имеющую большую температуру, подают в теплообменник для съема и отвода тепла Q₁ (операция 2).

После теплообменника газовую фазу не сбрасывают в атмосферу, а направляют на сжигание в газовзвеси (операция 3) неорганического топлива, в качестве которого используют кварцевый песок (диоксид кремния). Процесс фторирования осуществляют при высоких температурах - 500-800°С. При таких температурах сравнительно быстро устанавливается равновесие протекающих реакций, происходит саморазогрев и сгорание частиц (твердой фазы) в токе фтора с большим тепловыделением. Сжигают диоксид кремния в тетрафториде углерода по реакции:

Так как, сжигая органическое топливо по реакции (1), фтор подавали с избытком, то получаемая по реакции (2) газовая смесь, включающая углекислый газ и тетрафторид кремния, может содержать и кислород, образующийся в результате первоначального избытка фтора. В случае других пропорций исходных реагентов кислород может отсутствовать.

Выделившиеся газы направляют в теплообменник (операция 4) для снятия тепла.

Нелетучий остаток примесей операции горения кварцевого песка, включающий фторидные соединения алюминия, кальция и железа (CaF₂, AlF₃, FeF₃), выделяют (операция 5) и используют в качестве фторидных флюсов, не содержащих фосфора и серы, в цветной или черной металлургии.

Смесь газов после теплосъема компремируют до 30-40 атм и разделяют (операция 6) на индивидуальные компоненты в конденсаторе при t=-30-40°С.

Выделенный жидкий тетрафторид кремния испаряют при комнатной температуре и направляют на операцию 7 восстановления, например, электролитическим способом (см. Карелин В.А., Карелин А.И., Казимиров В.А. Способ получения высокочистого порошка кремния из тетрафторида кремния с одновременным получением элементного фтора, способ отделения кремния от расплава солей, полученные вышеуказанным способом порошок кремния и элементный фтор и способ получения тетрафторида кремния./ Заявка на изобретение от 12.08.2004 г.) по реакции (4) или плазмохимическим способом по реакции (5).

Продуктами реакции восстановления являются чистый полупроводниковый кремний и элементный фтор. Полученный элементный фтор направляют на операцию (1) цикла производства энергии, а некоторую часть используют для сжигания углекислого газа (операция 9, реакция (6)). Восстановленный кремний частично возвращают в технологический процесс и используют для восстановления углерода, а основную массу направляют (операция 8) для изготовления солнечных элементов (ФЭП) или применяют в виде тонких слоев аморфного кремния - в производстве солнечных батарей и модулей.

Углекислый газ из конденсатора направляют в реактор (операция 9) для сжигания в факеле при смешении с элементным фтором по реакции:

Газовую смесь (CF₄+O₂) после отбора тепла (операция 10) в теплообменнике направляют на операцию 11, где смесь компремируют и разделяют согласно реакции:

Выделенный кислород используют для обогащения воздуха. Выделенный тетрафторид углерода восстанавливают (операция 12) до чистого углерода, сжигая в нем часть порошка восстановленного кремния по реакции:

Чистый углерод направляют на начальную операцию 1 сжигания органического топлива в реакторе, а тетрафторид кремния, после отбора тепловой энергии (операция 13) в теплообменнике, направляют на операцию 7 восстановления кремния. Возможно использование части тетрафторида углерода помимо его восстановления до углерода для сжигания неорганического топлива (SiO₂) (операция 3).

Полученная в результате цикла суммарная тепловая энергия значительно больше энергии, затраченной на операциях разделения и восстановления:

Q_{топливного цикла}=Q₁+Q₂+Q₅+Q₇≫Q₃+Q₄+Q₆

Целевое использование восстановленного кремния позволяет во много раз увеличить количество производимой энергии, а именно за счет солнечной энергии, аккумулированной солнечными батареями, изготовленными из полученного в результате описанного топливного цикла кремния. Так рассчитано, что при сжигании 1.6 тонн оксида кремния в час обеспечивается производство 18760 кДж/час тепловой энергии и производство полупроводникового кремния - до 2400 тонн/год, что позволит создать электрический солнечный модуль мощностью 1000 МВт.

Пример 2. Схема осуществления топливного цикла (см. фиг.2) аналогична описанному циклу в примере 1, и отличается включенной дополнительно в процесс технологической цепочкой, осуществляемой параллельно основному циклу производства энергии, т.е. сжиганию углерода во фторе и последующему сжиганию неорганического топлива в продукте горения углерода - тетрафториде углерода по реакциям (1) и (2), и включающей операции: 14 - сжигание диоксида кремния в элементном фторе; 15 - отбор тепла; 16 - разделение газов. Сжигание диоксида кремния в элементном фторе (операция 14) осуществляют в химическом реакторе согласно реакции:

Процесс фторирования диоксида кремния элементным фтором протекает с большим выделением тепла, которое отбирают в теплообменнике, пропуская через него полученную газовую смесь из тетрафторида кремния и кислорода (операция 15). Это позволяет увеличить суммарную тепловую энергию, получаемую в цикле производства.

Далее смесь газов компремируют и разделяют (операция 16), согласно реакции:

Выделенный тетрафторид кремния направляют на операцию 7 восстановления основного цикла, а кислород используют, например, для обогащения воздуха.

Пример 3. Заявляемый способ производства энергии осуществляли, используя в качестве неорганического топлива оксид редкого тугоплавкого металла - титана. Технологическая схема осуществления способа в этом случае может быть аналогична любой из приведенных на фиг.1 или на фиг.2. Осуществляемые операции аналогичны примерам 1 и 2, поэтому в тексте используются ссылки на номера операций с фиг.1 и 2.

Природный рутиловый концентрат, включающий диоксид титана (TiO₂), сжигают в полученном в результате операций 1 и 2 тетрафториде углерода по реакции:

Макропримеси, содержащиеся в исходном рутиловом концентрате (≈5 мас.%), также фторируются, при этом происходят следующие реакции:

Фториды алюминия, кальция и железа (CaF₂, AlF₃, FeF₃) выделяют в виде фторидного огарка и выводят из технологического цикла. Фторид редкого металла TiF₄ отделяют от углекислого газа методом конденсации согласно реакции (15), испаряют и направляют на электролитическое восстановление (аналогично операции 7) в расплаве фторидных солей щелочных металлов по реакции (16).

В результате восстановления получают порошок титана высокой степени чистоты. Выделившийся на аноде элементный фтор направляют на операцию 1 сжигания органического топлива, на операцию 14 - сжигания дополнительно введенного в процесс неорганического топлива в виде оксида титана и частично на операцию 9 сжигания углекислого газа. Углекислый газ, образованный в результате реакций (11)-(14), перерабатывают до полного восстановления углерода аналогично примерам 1 и 2 (см. операции 9-13, фиг.1, 2), используя на операции 12 часть восстановленного чистого титана:

Полученный в результате газообразный фторид титана (TiF₄) направляют на операцию восстановления согласно реакции (16) до чистых титана и фтора.

Таким образом, последовательность операций и их характер при использовании в качестве неорганического топлива оксида редкого металла (например, титана, как показано в примере 3), аналогичны операциям, осуществляемым при использовании в качестве неорганического топлива диоксида кремния. Во всех приведенных примерах осуществляется круговорот фтора и углерода.

Использование в качестве основного реагента рециркулирующего элементного фтора приводит к практически полному исключению образования и сброса в окружающую среду технологических отходов. Большое тепловыделение и высокая скорость фторирования оксидов металлов или кремния, полное использование фторирующего реагента, высокая коррозионная стойкость оборудования, отсутствие газообразных и жидких выбросов обуславливают экологическую чистоту процесса, высокую производительность, и как следствие, высокую рентабельность производства.

1. Способ производства энергии, включающий сжигание органического топлива в окислителе, отбор тепла, выделяющегося в результате горения, и переработку углекислого газа, отличающийся тем, что в качестве окислителя для сжигания органического топлива используют элементный фтор, вводят в процесс неорганическое топливо в виде диоксида кремния или оксида редкого металла, относящегося к группе тугоплавких и образующего с фтором летучее соединение, и сжигают его, используя в качестве окислителя тетрафторид углерода, образующийся в результате горения органического топлива, полученную газовую смесь разделяют с выделением углекислого газа и, соответственно, фторида кремния при использовании диоксида кремния или фторида редкого металла при использовании оксида редкого металла, из фторида восстанавливают, соответственно, кремний или редкий металл, получая одновременно элементный фтор, а углекислый газ перерабатывают до полного восстановления углерода, сжигая его в части элементного фтора, полученного при упомянутом восстановлении, разделяя образовавшуюся газовую смесь с выделением тетрафторида углерода и сжигая в последнем часть восстановленного, соответственно, кремния или редкого металла, полученный чистый углерод, как и элементный фтор, возвращают на начальную операцию сжигания органического топлива, а образовавшийся при переработке углекислого газа фторид, соответственно, кремния или редкого металла направляют на операцию упомянутого восстановления, соответственно, кремния или редкого металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный в результате восстановления чистый полупроводниковый кремний используют для изготовления солнечных батарей для получения солнечной энергии.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процесс вводят дополнительное количество неорганического топлива, аналогичного указанному, и сжигают его, используя в качестве окислителя часть элементного фтора, полученного на операции восстановления, образованную в результате горения газовую смесь разделяют с выделением фторида, соответственно, кремния или редкого металла, который направляют на операцию упомянутого восстановления, соответственно, кремния или металла и получения элементного фтора.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что отбор выделяющегося тепла осуществляют на всех операциях сжигания, при этом исключая сброс газов в атмосферу.