Способ сжигания топлива в энергоустановках

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при создании энергетических установок, потребляющих в качестве топлива природный газ, другие виды газообразного топлива, например биогаз, а также легкие металлы, например алюминий. Способ сжигания топлива в энергоустановках включает сжигание в горелочном устройстве с проницаемыми объемными матрицами топливно-воздушной смеси. Топливно-воздушную смесь перед вводом в горелочное устройство обогащают водородом, полученным при высокотемпературном окислении металла водой. Технический результат заключается в повышении тепловой эффективности и надежности работы энергоустановок. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при создании энергетических установок, потребляющих в качестве топлива природный газ, другие виды газообразного топлива, например биогаз, а также легкие металлы, например алюминий.

Известен способ сжигания органического топлива в камере сгорания газотурбинной установки, включающий подачу в жаровую трубу воздуха и водяного пара для неполного сгорания топлива и последующее его дожигание (RU 2042886, F23R 3/34, 1995). Отличительной особенностью указанного способа является то, что дожигание топлива осуществляют по меньшей мере в две стадии. Причем неполное сжигание топлива производят с коэффициентом избытка окислителя 0,4-0,8, а дожигание в обеих стадиях - с возрастающим коэффициентом избытка окислителя и не менее 0,6 при первой стадии дожигания.

Недостатком известного способа является высокий уровень вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода.

Известен способ турбулентного факельного сжигания топлива в камере сгорания ГТУ в диффузионном режиме с последующим диффузионным разбавлением продуктов сгорания воздухом (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. - М.: Мир. 1986, с.22-23).

Недостатком данного способа является высокий уровень вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода. В процессе диффузионного смешения топлива со вторичным воздухом, протекающим по всей длине камеры сгорания ГТУ, не удается достигнуть необходимой степени обеднения топливовоздушной смеси непосредственно в области горения, поэтому не обеспечивается достаточно низкий уровень образования оксидов азота, соответствующий современным экологическим требованиям. Снижение температуры в результате ввода вторичного воздуха ухудшает условия для конверсии монооксида углерода и других продуктов неполного сгорания топлива. Поэтому для их догорания требуется значительное увеличение длины камеры сгорания (жаровой трубы). Кроме того, турбулентный характер и высокая температура горения приводят к высоким термическим и газодинамическим нагрузкам на поверхность камеры сгорания (жаровой трубы), что приводит к сокращению ресурса ее работы.

Известен способ получения энергии, при котором металлический проводник взрывают импульсом электрического тока, получая алюминиевый порошок, который вступает в реакцию с водой при высокой температуре и давлении. Полученную смесь направляют в камеру, оборудованную теплообменником, где водород очищают от продуктов реакции. Тепло и очищенный водород направляют потребителю (US 5143047, F24J 1/00, 1992).

Недостатком указанного способа является необходимость проведения достаточно сложных мероприятий по обеспечению безопасности работ.

Наиболее близким к заявляемому является способ сжигания топливно-воздушной смеси в горелочном устройстве с проницаемыми объемными матрицами (Шмелев В.М. Горение природного газа на поверхности из высокопористой металлической пены. Химическая Физика, 2010. Т.29, №7, с.1-10). Использование горелочного устройства с проницаемыми объемными матрицами позволяет сжигать низкокалорийное топливо, например биогаз. Однако температура продуктов горения (1200-1300°C) недостаточна для современных энергетических установок (~1500°C). Кроме того, диапазон регулирования мощности горелочного устройства с проницаемыми объемными матрицами недостаточно широк.

Авторы решали задачу по созданию способа сжигания топлива, лишенного указанных недостатков. Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении тепловой эффективности и надежности работы энергоустановок.

Для решения поставленной задачи, а также для достижения указанного технического результата предлагается способ сжигания топлива в энергоустановках, включающий сжигание в горелочном устройстве с проницаемыми объемными матрицами топливно-воздушной смеси. Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что топливно-воздушную смесь перед вводом в горелочное устройство обогащают водородом, полученным при высокотемпературном окислении металла водой.

Дополнительно предлагается для получения водорода использовать металл, выбранный из группы: алюминий, магний, литий.

Дополнительно предлагается для получения водорода использовать металлический порошок фракцией не более 100 мкм.

Дополнительно предлагается для получения водорода использовать воду и металлический порошок в виде суспензии, в которую полезно вводить добавки 1-5% фторидов лития и/или натрия, и/или калия, и/или хлорида натрия.

Дополнительно предлагается для получения водорода использовать воду в стехиометрическом соотношении по отношению к окисляемому металлу.

Дополнительно предлагается получение водорода проводить в условиях, при которых вода находится в сверхкритическом состоянии при давлении выше 300 атм.

Тепло твердых продуктов окисления металла может быть использовано для получения пара.

Дополнительно предлагается водород и пар выводить из реактора и использовать раздельно, в том числе путем подачи пара в теплосеть, при этом получение водорода и пара может быть осуществлено попеременно в одном из нескольких последовательно работающих реакторов.

Дополнительно предлагается продукты сгорания на выходе из горелочного устройства перед подачей на энергоустановку смешивать с водяным паром, полученным при нагревании воды оксидом металла после его высокотемпературного окисления в реакторе.

Также дополнительно предлагается для получения топливно-воздушной смеси использовать биогаз.

Обогащение топливно-воздушной смеси перед вводом в горелочное устройство водородом, полученным при высокотемпературном окислении металла водой, позволяет, во-первых, при сжигании низкокалорийного топлива получать достаточно высокую температуру продуктов горения, во-вторых, обеспечить устойчивость горения в широком диапазоне регулирования мощности горелки, в-третьих, использовать тепло оксида алюминия, образующегося от взаимодействия алюминия с водой. Таким образом достигается технический результат.

Использование металлического порошка фракцией более 100 мкм приводит к неполноте его сгорания.

Использование добавок 1-5% фторидов лития и/или натрия, и/или калия, и/или хлорида натрия в суспензию воды и металлического порошка, например, алюминия, позволяет разрушить целостность оксидной пленки, окружающей каждую частицу металла, и тем самым обеспечить легкую воспламеняемость металла и устойчивость процесса горения.

На прилагаемом чертеже представлена схема установки, реализующей заявляемый способ, где 1 - емкость для хранения алюминиевого порошка, 2 - смеситель, 3 - насос высокого давления, 4 - реактор, 5 - горелочное устройство с проницаемыми объемными матрицами, 6 - емкость для сбора корунда, 7 - газовая турбина, установленная на одном валу с паровой турбиной 8.

Способ осуществляют следующим образом. Воду и порошок алюминия подают в смеситель 2, где получают суспензию, которую насосом высокого давления 3 подают в реактор 4, где происходит реакция окисления алюминия с выделением водорода и образованием оксида алюминия. Образовавшийся в реакторе 4 водород подают в горелочное устройство с проницаемыми объемными матрицами, смешивая его с биогазом и воздухом. После удаления водорода из реактора 4 отбирают тепло от оксида алюминия. Для этого в реактор 4 подают воду, превращая ее в пар под давлением. Этот пар пропускают через емкость для сбора корунда 6, затем подают на паровую турбину 8. Продукты горения горелочного устройства 5 подают на газовую турбину 7.

1. Способ сжигания топлива в энергоустановках, включающий сжигание в горелочном устройстве с проницаемыми объемными матрицами топливно-воздушной смеси, отличающийся тем, что топливно-воздушную смесь перед вводом в горелочное устройство обогащают водородом, полученным при высокотемпературном окислении металла водой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения водорода используют металл, выбранный из группы: алюминий, магний, литий.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения водорода используют металлический порошок фракцией не более 100 мкм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения водорода используют воду и металлический порошок в виде суспензии.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в суспензию вводят добавки 1-5% фторидов лития и/или натрия, и/или калия, и/или хлорида натрия.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения водорода используют воду в стехиометрическом соотношении по отношению к окисляемому металлу.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что получение водорода проводят в условиях, при которых вода находится в сверхкритическом состоянии при давлении выше 300 атм.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что тепло твердых продуктов окисления металла используют для получения пара.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что водород и пар выводят из реактора и используют раздельно, в том числе путем подачи пара в теплосеть.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что получение водорода и пара проводят попеременно в одном из нескольких последовательно работающих реакторов.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что продукты сгорания на выходе из горелочного устройства перед подачей на энергоустановку смешивают с водяным паром, полученным при нагревании воды оксидом металла после его высокотемпературного окисления в реакторе

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения топливно-воздушной смеси используют биогаз.