Патент на изобретение №2386819

(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕЙ В ЦИКЛИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ (БАРЧАНА)

(57) Реферат:

Изобретение относится к энергетике. В способе преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе в двигатель подают образовавшиеся неразделенные продукты газификации – первое рабочее тело, при расширении которого в двигателе тепловая и кинетическая энергия смеси преобразуются в механическую энергию, а отработанное и охлажденное в двигателе, первое рабочее тело, разделяют на водород, оксид углерода и сопутствующие продукты, если таковые образуются, при этом отделенные водород и оксид углерода подают в реактор-метанатор, в котором в процессе каталитической реакции образуется метанопаровая смесь – второе рабочее тело, которое подается во второй контур двигателя или в другой двигатель, где оно в процессе расширения преобразует энергию смеси в механическую энергию, а отработанная в двигателе метанопаровая смесь и сопутствующие продукты возвращаются в реактор газификации или конверсии, в котором вновь образуется смесь водорода и оксида углерода, при этом цикл замыкается. Изобретение позволяет сократить расход топлива на выработку энергии и увеличить КПД процесса. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к энергетике, а конкретно к преобразованию энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе при переработке углеродсодержащего сырья, включая газы, промышленные и бытовые отходы, с целью получения товарной энергии и/или товарной химической продукции в промышленных масштабах, используя экзотермические циклические процессы, посредством газификации твердого или жидкого сырья или конверсии (риформинга) газообразного углеводородного сырья, с последующей повторной газификацией или конверсией нецелевых продуктов и регенерации полученных соединений для их повторного использования в циклическом процессе.

Циклические процессы распространены в природе и широко используются в промышленности. К ним можно отнести, например, круговорот воды и углерода в природе, восстановление объема биомассы [1, т.3, С 280-281], промышленное производство мочевины, серной кислоты, процессы абсорбции и адсорбции, всевозможные циклические режимы в химической технологи, фотохимические процессы и многие другие [1, т.1. С 11-14, С 62, С 785, т.4, С 647, т.5, С 715-719]. Не менее широко используются в промышленности процессы регенерации различных веществ и материалов, например переработка макулатуры и изношенных текстильных изделий, передел металлолома и другие.

В энергетике популярны процессы регенерации тепла и рабочего тела паровых турбин. Процессы регенерации энергоносителей (топлива) в промышленном масштабе реализуются лишь в атомной энергетике, однако отработанное ядерное топливо частично регенерируется на специализированных предприятиях и затем транспортируется к месту повторного использования специальными транспортными средствами.

Вместе с тем, энергия и вещества, выделяемые в циклических процессах с регенерацией энергоносителей, как это следует из известного уровня техники, не использовались ранее для осуществления работы тепловых двигателей, несмотря на то, что их использование существенно уменьшило бы расход топлива и повысило бы КПД процессов в целом.

Наиболее известным и распространенным способом получения механической энергии, путем переработки углеродсодержащего сырья, является его сжигание. Горение – нециклический химический процесс, при котором превращение вещества сопровождается интенсивным выделением энергии и тепло-массообменом с окружающей средой. При этом преобразование химической энергии горения в механическую происходит в тепловом двигателе. Регенерация энергоносителя (топлива) в двигателе в обозримом будущем бесперспективна.

Известен также способ преобразования химической энергии, полученной в циклическом термохимическом процессе, в механическую энергию с регенерацией рабочего тела двигателя за счет утилизации рассеиваемой тепловой энергии промышленных предприятий (газовые гидраты углеводородных газов, гидриды металлов и сплавов, перекись водорода) или источника ионизирующего излучения (вода), или высокотемпературного источника тепла (смесь водорода и оксида углерода), согласно которому смесь водорода и оксида углерода в молярном соотношении 3:1 подается из емкости в реактор-метанатор, в котором в ходе каталитической реакции образуется смесь метана и водяного пара (рабочее тело) и подается в двигатель, в результате расширения смеси вырабатывается механическая энергия. Отработавшая метанопаровая смесь направляется в систему охлаждения газоохлаждаемого высокотемпературного атомного реактора, где превращается в исходный водород и оксид углерода, цикл замыкается (PCT/NO 2003/000133).

Данный способ позволяет значительно, по сравнению с известными, сократить расход топлива на выработку энергии и увеличить КПД процесса преобразования энергии, в случае когда двигатель является составной частью атомной электростанции или технологической установки, производящей заданную продукцию, однако и он обладает следующими недостатками:

– газоохлаждаемый высокотемпературный атомный реактор еще не создан;

– для обеспечения цикличности процесса необходим независимый, высокотемпературный источник тепловой энергии, обеспечивающий протекание эндотермического процесса паровой конверсии метана;

– способ может быть реализован только в стационарных условиях и в непосредственной близости от высокотемпературного источника энергии;

– способ не позволяет использовать другие виды углеродсодержащего сырья;

– способ не позволяет создавать автономные и транспортные двигатели.

Наиболее близким к заявляемому способу преобразования энергии по технической сущности и достигаемому в процессе его реализации техническому результату является способ преобразования энергии, выделяющейся в экзотермическом процессе, в механическую работу, включающий подачу исходного сырья в первый реактор, взаимодействие компонентов сырья в экзотермическом процессе, в результате которого образуется водород и оксид углерода, которые подают в реактор-метанатор, в котором посредством каталитической реакции образуют рабочее тело – метанопаровую смесь, при расширении которой в двигателе производят механическую работу, а отработанное рабочее тело направляют на регенерацию и последующую подачу в первый реактор, при этом исходное сырье в первом реакторе подвергают автотермической или термической газификации с отделением водорода и оксида углерода, подаваемых в реактор-метанатор от сопутствующих продуктов, а каталитическую реакцию между водородом и оксидом углерода осуществляют при температуре от 600 К до 1400 К и давлении 0,6-20,0 МПа, при этом в качестве двигателя используют или роторный двигатель, или поршневой двигатель, или роторно-поршневой двигатель, или турбину, а работу упомянутых реакторов и двигателя осуществляют без выброса газообразных продуктов в окружающую среду, причем при малом количестве расходуемого исходного сырья, обеспечивают любую заданную мощность двигателя за счет накопления водорода и оксида углерода, а процесс работы двигателя на исходном углеродсодержащем сырье осуществляют без сжигания этого сырья, при этом при определенной температуре, определяемой свойствами катализатора, термическую конверсию отработанного метана осуществляют без потребления кислорода, а для газификации водных смесей углеродсодержащего сырья используют плазмотрон в виде плазменной горелки, причем при утилизации исходного сырья наряду с энергией производят заданную химическую продукцию (заявка на изобретение Российской Федерации 2005140383/06, МПК F01К 23/04, 2005).

В известном техническом решении удалось существенно повысить ряд технических характеристик, устранить присущие способу недостатки, выявившиеся в процессе практической реализации изобретения. Вместе с тем, в процессе преобразования энергии в механическую работу не используются:

– энергия и газы, выделяющиеся при конверсии или газификации исходного сырья;

– для преобразования энергии в механическую работу используется не более 20% выделившейся в реакторах энергии;

– для преобразования энергии в механическую работу не используются энергия и газы, выделяющиеся в реакторах синтеза целевых химических соединений;

– плазмохимическая конверсия или газификация сырья предусмотрена только для переработки водных смесей и не предусмотрена для переработки других видов сырья, хотя в ряде случаев позволяет исключить использование кислорода, дополнительной воды, сократить номенклатуру и количество расходуемых катализаторов;

– аппаратурная реализация способа не предусматривает конверсию метана в водород и оксид углерода в двигателе, причем реактор газификации постоянно связан с двигателем, что увеличивает производительность и размеры блока очистки и разделения газов.

Задача, положенная в основу заявляемого изобретения, заключается в создании способа преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе при переработке углеродсодержащего сырья, включая газы, промышленные и бытовые отходы, в механическую работу, свободного от отмеченных выше недостатков, присущих упомянутым техническим решениям, представляющим известный уровень техники.

Технический результат, достигаемый при реализации предложенного способа, заключается в существенном увеличении эффективности преобразования энергии химического процесса в механическую энергию, в сокращении расхода воды, кислорода и катализаторов на газификацию и конверсию газов в контурах двигателей.

Задача, положенная в основу заявляемого изобретения, с достижением указанного выше технического результата, решается тем, что в известном способе преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе, включающем подачу подготовленного сырья в реактор газификации или конверсии, в котором его газифицируют или конвертируют в автотермическом или термическом режиме с образованием водорода, оксида углерода и, возможно, сопутствующих продуктов, отделение сопутствующих продуктов, когда они образуются, подачу смеси водорода и оксида углерода в реактор-метанатор, в котором образуется смесь метана и водяного пара – рабочее тело, подачу этой смеси в двигатель с последующим ее расширением и преобразованием в механическую энергию, в соответствии с изобретением, в двигатель подают образовавшиеся неразделенные продукты газификации – первое рабочее тело, при расширении которого в двигателе преобразуются тепловая и кинетическая энергия смеси в механическую энергию, а отработанное и охлажденное в двигателе, первое рабочее тело, разделяют на водород, оксид углерода и сопутствующие продукты, если последние образуются, при этом отделенные водород и оксид углерода подают в реактор-метанатор двигателя, где в каталитическом процессе образуется метанопаровая смесь – второе рабочее тело, которое также подают во второй контур упомянутого двигателя или в другой двигатель, где оно в процессе расширения также преобразует энергию смеси в механическую энергию, а отработанную метанопаровую смесь и сопутствующие продукты возвращают в реактор газификации или конверсии, в котором вновь образуется смесь водорода и оксида углерода, при этом цикл замыкается;

– а также тем, что газификация или конверсия сырья осуществляется в плазмохимическом или плазмокаталитическом режиме, при этом плазмообразующим веществом в плазмохимическом или плазмокаталитическом реакторе является вода или диоксид углерода или смесь воды с диоксидом углерода;

– а также тем, что в смеси водорода и оксида углерода, а также метана и водяного пара, для утилизации избыточной тепловой энергии добавляют благородный газ или смеси благородных газов.

Предлагаемый способ преобразования энергии, включающий циклические технологии переработки углеводородного сырья, предназначен для высокоэффективного получения электрической и тепловой энергии, а также для высокоэффективного (с КПД до 95%) производства химической продукции и энергии, в случае создания энергохимических предприятий, без выбросов газообразных продуктов, загрязняющих атмосферу.

После термической или автотермической газификации или конверсии исходного сырья полученная смесь водорода и оксида углерода, которая является основным реагентом и энергоносителем, используется без сжигания для получения энергии, или энергии и химических веществ, а затем регенерируется путем образования метана или других соединений в каталитическом экзотермическом режиме.

Образовавшаяся метанопаровая смесь или смесь других органических соединений, охлажденная, например, в расширительной турбине, вновь подвергается конверсии с образованием водорода и оксида углерода, обеспечивая, таким образом, циркуляцию энергоносителя в системе.

Повторной конверсии или газификации подвергаются также все продукты, образовавшиеся в результате побочных реакций, продукты, полученные в результате неполной газификации и нецелевые продукты, полученные в органическом синтезе.

В качестве сырья для переработки может быть использовано любое органическое или неорганическое содержащее углерод сырье или сырье с добавкой углерода или углеводорода, переработка которого экономически целесообразна, например соленая морская вода, или необходима по экологическим соображениям (больничные отходы, трупы больных животных, пропитанная нефтепродуктами или токсичными веществами почва, отвалы углеобогатительных производств, смесь воды и нефтепродуктов или иных углеводородов, нефтешламы, газы и смеси газов, содержащие углеводороды и оксид или диоксид углерода, торф, сланцы, бурые и каменные угли, асфальт, природные и технологические газы, карбонаты, нефтепродукты, сырая нефть и т.п.

Предложенный способ, в самом общем виде, реализуется следующим образом. Предварительно подготовленное твердое или жидкое сырье, содержащее углерод или углеводороды, подвергается газификации в термическом или автотермическом режиме любым известным способом, подходящим для данного вида сырья, а газообразное сырье подвергается конверсии (риформингу) с целью получения максимального количества водорода и оксида углерода;

– образовавшиеся неразделенные продукты газификации – первое рабочее тело, подают в двигатель, где они, расширяясь, преобразует тепловую и кинетическую энергию поступившей смеси в механическую энергию;

– отработанное и охлажденное в двигателе первое рабочее тело разделяют на водород, оксид углерода и сопутствующие продукты, если они образуются;

– водород и оксид углерода подают в реактор-метанатор, где они подвергаются (полностью или частично) каталитической конверсии (риформингу) при температуре от 600 К до 1400 К и давлении 0,6-10 МПа (в зависимости от типа используемого двигателя) с образованием метанопаровой смеси;

– образовавшуюся метанопаровую смесь – второе рабочее тело, подают во второй контур упомянутого двигателя или в другой двигатель, где оно, расширяясь, преобразует тепловую и кинетическую энергию поступившей смеси в механическую энергию;

– отработанную метанопаровую смесь и сопутствующие продукты – газы (кроме азота), жидкости, пыль и, возможно, сажу – возвращают в реактор газификации или конверсии, в котором вновь образуется смесь газов, состоящая из водорода и оксида углерода, то есть цикл замыкается;

– избыточная тепловая энергия, выделяющаяся в реакторах и поступающая в блок очистки и разделения газов, утилизируется в котлах-утилизаторах, пар поступает в турбины, а горячая вода – в теплосеть (в ряде случаев целесообразно к рабочему телу добавлять благородные газы или смеси благородных газов, нагрев которых уменьшает температуру рабочего тела на входе в двигатель);

– в случае конверсии какой-то части водорода и оксида углерода не конвертированная часть направляется для синтеза заданных химических соединений (метиловый и этиловый спирты, диметиловый эфир, алканы, парафины, искусственное топливо, масла, альдегиды, этилен, пропилен и многие другие);

– не прореагировавшая в процессе синтеза часть водорода и оксида углерода и сопутствующие нецелевые продукты направляются в реактор газификации или конверсии, то есть цикл замыкается;

– отделенный азот фасуется или, если он выделяется в незначительном количестве, возвращается в окружающую среду;

– твердые остеклованные шлаки используются в строительстве или подлежат захоронению в установленном порядке.

– в установках большой мощности для более полного преобразования выделившейся в реакторах энергии в механическую энергию в качестве рабочих тел в двигателях могут использоваться пары легкокипящих жидкостей, получаемые в паровых котлах или теплообменных аппаратах, встроенных в реакторы и блоки разделения газов.

Предложенный способ позволяет перерабатывать любое количество сырья (от нескольких грамм до нескольких сотен тысяч тонн в сутки) и может быть использован для осуществления работы любого теплового двигателя известной конструкции (турбины, роторные, поршневые, роторно-поршневые и др.), а также обеспечивать работу двигателей практически на любом виде топлива (твердое, жидкое, газообразное) и/или одновременно производить химическую продукцию, в том числе чистую воду, обеспечивая производство и потребителей необходимым количеством энергии.

Далее будут приведены примеры, которые не являются ограничениями заявленного способа, а только лишь показывают несколько оптимальных из множества возможных практических реализаций заявленного способа.

Пример 1

Перерабатываемое сырье – очищенный природный газ или баллонный газ (пропан или смесь пропана с бутаном или смесь других газов). Следует отметить, что это один из самых простых и дешевых вариантов реализации предлагаемого способа. Такие установки малой мощности могут использоваться на транспортных средствах. Схема процесса представлена на фиг.1. Способ реализуется следующим образом.

Газ из хранилища или баллона подают в блок реакторов конверсии 1, в котором происходит каталитическая экзотермическая конверсия газа при температуре 783-2473 К с образованием водорода, оксида углерода и незначительных количеств других газов. Образовавшиеся газы – первое рабочее тело, поступают в первый контур двигателя 2 (фиг.1) или отдельный двигатель 2 (фиг.1a), где они, расширяясь, преобразуют тепловую и кинетическую энергию газов в механическую энергию, и из двигателя 2 без разделения подаются в реактор метанатор 3, в котором происходит каталитическая экзотермическая реакция между водородом и оксидом углерода с образованием метанопаровой смеси. Процесс проводят по одной из известных технологий при давлении от 0,5 до 20 МПа, при этом развивается температура до 1400 К. Метанопаровая смесь – второе рабочее тело, поступает во второй контур двигателя 2а (фиг.1) или отдельный двигатель 4 (фиг.1a), расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию. Отработанная смесь вновь подается в блок реакторов конверсии 1 для повторной конверсии. Цикл замыкается.

При большом количестве перерабатываемого сырья, например неочищенные нефтяные попутные газы, технологическая схема процесса (фиг.1б) дополняется блоком реакторов синтеза заданной химической продукции 5, блоком очистки и разделения газов 8, а все реакторы целесообразно оборудовать котлами-утилизаторами 6 и дополнительными паровыми турбинами 7 (фиг.1б) или добавлять в смеси продуктов конверсии благородные газы или смеси благородных газов.

Теоретически в этом процессе расходуются кислород и незначительное количество воды для запуска установки, а также катализаторы, которые деактивируются в процессе работы и подлежат периодической замене или регенерации. Расход кислорода для запуска процесса составляет до 0,5-0,6 м³ на 1 м³ газа (в зависимости от состава газа), расход водяного пара – до 0,8 кг на 1 кг газа.

Поскольку процесс конверсии метана обратим, в качестве перерабатываемого газа можно использовать смесь водорода и оксида углерода, полученную в стационарных условиях (на металлургических, нефтеперерабатывающих или химических предприятиях). Схема одного из возможных вариантов реализации такого процесса изображена на фиг.1в.

Смесь газов из баллонов или хранилища подают в реактор метанатор 3, в котором происходит образование смеси метана и водяного пара. Из реактора упомянутая смесь поступает в двигатель 4, где она расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию, а из двигателя 4 – в блок реакторов конверсии 1, в котором метанопаровая смесь вновь превращается в смесь водорода и оксида углерода, которые подают в двигатель 2, где она расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию, а из двигателя 2 отработанную смесь возвращают в реактор метанатор 3. Цикл замыкается.

Расчет тепловой мощности двигателя, работающего по приведенному на схемах 1, 1a, 1б, 1в методу преобразования энергии можно произвести по формуле

где N – мощность двигателя, Вт;

k – показатель адиабаты;

R – удельная газовая постоянная, Дж/(кг·К);

Т – температура рабочего тела на входе в двигатель, К;

р_вх – давление парогазовой смеси на входе в двигатель, Па;

p_вых – давление парогазовой смеси на выходе из двигателя, Па;

n – расход рабочего тела двигателем, кг/с.

Исходные данные, принимаемые для расчета:

– тип двигателя – в качестве двигателя используется турбина;

– p_вх=10 МПа – давление парогазовой и газовой смесей на входе в турбины;

– р_вых=0,1 МПа – давление парогазовой и газовой смесей на выходе из турбин;

– Т=1400 К – температура метанопаровой смеси на входе в турбину;

– µ_m=16,04 – молекулярная масса метана;

– µ_n=18,016 – молекулярная масса водяного пара при Т=1400 К и р=10 МПа;

– µ_Mn=17,028 – молекулярная масса метанопаровой смеси;

– С_p,n=2,620 кДж/(кг·К) – теплоемкость при постоянном давлении водяного пара при T=1400 К и р=10 МПа;

– С_р,M=5,251 кДж/(кг·К) – теплоемкость при постоянном давлении метана при T=1400 К и р=10МПа;

– R_Mn=488,3 Дж/(кг·К) – удельная газовая постоянная метанопаровой смеси;

– С_p,Mn=3,857 кДж/(кг·К) – теплоемкость при постоянном давлении метанопаровой смеси;

– С_v,Mn=С_р,Mn-R_Mn=3,369 кДж/(кг·К) – теплоемкость при постоянном объеме метанопаровой смеси;

– показатель адиабаты для метанопаровой смеси;

– К=340 – показатель адиабаты для смеси водорода и оксида углерода;

– R=976,5 Дж/(кг.К) – удельная газовая постоянная смеси водорода и оксида углерода.

Принимая расход рабочего тела n=1 кг/с, получаем тепловую мощность двигателя (двигателей) N=6,10МВт, а в прототипе – 2,35МВт.

Температура отработанных газов определяется по формуле:

Для смеси водорода и оксида углерода она равна 445 К, для метанопаровой смеси – 780 К. Если процесс каталитической конверсии метана проводить при температуре более 783 К, то при давлении более 0,12 МПа отработанная смесь газов будет иметь указанную температуру. В этом случае не требуется расходовать кислород и достаточно будет ограничиться паровой каталитической конверсией, т.к. необходимую температуру в реакторе будут обеспечивать отработанные газы.

После запуска этого процесса расходным материалом будет только катализатор, который деактивируется в процессе эксплуатации. Водяной пар и природный газ будут расходоваться лишь для компенсации возможных утечек.

При вышеприведенных параметрах процесса и давлении газов после турбины 0,12 МПа мощность двигателя будет равна 5,74 МВт, а в прототипе 1,46 МВт.

Количество энергии, выделенной в химическом процессе в реакторах, можно определить из реакций:

CO+3H₂CH₄+H₂O+206,2 кДж/моль;

CH₄+0,5O₂CO+2H₂+34 кДж/моль;

CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O+882 кДж/моль.

Учитывая, что в последней реакции расходуется не более 4% реагентов, суммарная тепловая мощность, выделяемая в реакторах, составляет 12,12+2,512+2,2=16,442 МВт. Внутренний термический КПД циклического процесса составляет 0,790, а в прототипе – 0,165.

При использовании водогрейного котла мощность увеличится на 1,055 МВт и тогда КПД для мощности 6,1 МВт составит 0,853.

При большом объеме перерабатываемого газа метод реализуется по схеме, показанной на фиг.1б, основой для которой используется схема, приведенная на фиг.1а, которая в этом случае дополняется блоком синтеза заданной продукции 5, паровыми котлами 6 с пароперегревателями и турбогенератором 7, Непрореагировавшие газы и нецелевые продукты возвращаются из блока синтеза заданной продукции 5 на конверсию в блок реакторов конверсии 1, например, через расширительную турбину (не показана), что в итоге обеспечивает получение дополнительной энергии. При такой схеме реализации изобретения, наряду с электроэнергией, будет производиться заданная химическая продукция, например, метиловый спирт в количестве 1,015 кг на 1 норм. м³ газа или этиловый спирт, или дизельное топливо, или другие продукты. КПД процесса производства метилового спирта, определенный по количеству энергии, заключенной в полученной продукции, с учетом затрат произведенной энергии на привод вспомогательных механизмов блока реакторов синтеза 5 составляет 0,960. Перерабатываемое сырье на производство энергии не расходуется.

Пример 2

Перерабатываемое сырье – твердые или жидкие углеводороды или отходы, содержащие углерод. Схема представлена на фиг.2а, 2б. Способ реализуется следующим образом.

Сырье, после соответствующей подготовки по одной из известных технологий, загружается в блок реакторов газификации 1 (фиг.2), предназначенный для переработки твердого или жидкого сырья, в котором происходит его газификация под действием кислорода, или пара и кислорода, или плазмы. Полученный в процессе упомянутой газификации газ, состоящий в основном из водорода и оксида углерода, подается в двигатель 2, где он расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию. Отработанную в двигателе смесь газов разделяют в блоке разделения 8, водород и оксид углерода подают в реактор метанатор 3, в котором происходит каталитическая экзотермическая реакция между водородом и оксидом углерода с образованием смеси метана и водяного пара. Отделенные продукты возвращаются в блок реакторов газификации 1, а метанопаровую смесь подают во второй двигатель 4, где она расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию. Из двигателя 4 отработанная смесь поступает в блок реакторов газификации 1, в котором вновь превращается в водород и оксид углерода. Цикл замыкается.

При постоянной переработке сырья, если вырабатываемая энергия потребляется в ограниченных количествах, водород и оксид углерода можно подавать в блок реакторов синтеза 5 (фиг.2а), минуя реактор метанатор 3 и двигатель 4. В блоке реакторов синтеза 5 происходит синтез заданных химических соединений, которые складируются, а нецелевые продукты и продувочные газы через двигатель 9 возвращаются в реактор газификации 1.

Для полного использования энергии, выделенной в данном цикле, все реакторы и блок очистки и разделения газов 8 могут быть снабжены паровыми котлами 6 с пароперегревателями (фиг.2а). Полученный в паровых котлах пар подается в паровую турбину 7, обеспечивая выработку дополнительной энергии.

В транспортном варианте реализации силовой установки (например, тепловозные или корабельные) из приведенной на фиг.2а схемы процесса исключаются: блок реакторов синтеза 5, паровые котлы 6 и двигатель 7, а отработанную в двигателе 4 метанопаровую смесь подают непосредственно в блок реакторов газификации 1. Для полного преобразования тепловой энергии, выделенной в реакторах, в механическую энергию и для снижения температуры рабочего тела на входе в двигатели вместо паровых котлов к продуктам газификации можно добавлять благородные газы или смеси благородных газов, например смесь аргона и гелия или другие смеси.

Приведенный в данном примере один из возможных вариантов реализации заявленного способа позволяет перерабатывать от нескольких килограммов до нескольких десятков тысяч тонн сырья в сутки. В зависимости от вида перерабатываемого сырья количество получаемого газа (водород и оксид углерода) колеблется от 1-1,5 м³/кг – для низкосортного бурого угля и бытовых отходов, до 3-3,5 м³/кг – для мазута, нефтяных остатков и сырой нефти.

Если описанный в данном примере способ используется для переработки постоянно поступающих отходов или другого сырья, то необходимо выпускать химическую продукцию, поскольку иным способом нельзя предотвратить выброс газообразных продуктов в атмосферу.

Расчет мощности двигателя можно провести по формуле, приведенной в примере 1. Перерабатываемое сырье – прессованные опилки. Расход пара на газификацию составляет 0,4 кг на 1 кг опилок, расход кислорода – 0,3 кг на 1 кг опилок.

Принимаем следующие исходные данные для проведения расчета:

– выход метилового спирта (метанола) – 0,492 кг на 1 кг опилок;

– энтальпия сгорания метилового спирта – 22,3 МДж/кг;

– энтальпия сгорания прессованных опилок – 19,4 МДж/кг

– температура процесса газификации – 2073 – 2173 K;

– давление на выходе из блока реакторов газификации – 8 МПа;

– температура процесса образования метана – 1400 К;

– давление на выходе из реактора метанатора-10 МПа;

– давление процесса синтеза метанола – 8 МПа;

– температура на выходе из реактора синтеза метанола – 543 К;

– давление острого пара – 3 МПа;

– энтальпия острого пара – 3390 кДж/кг;

– давление пара промежуточного перегрева – 2,1 МПа;

– энтальпия пара промежуточного перегрева – 3450 кДж/кг;

– давление пара в системе низкого давления – 1,2 МПа;

– количество газа, образующегося при газификации – 1,95 кг на 1 кг опилок;

– количество непрореагировавших продувочных газов в реакторе синтеза метанола – 0,54 кг на 1 кг опилок;

– количество острого пара на паровую турбину при газификации угля – 0,94 кг на 1 кг опилок;

– количество пара промежуточного перегрева на паровую турбину при газификации опилок – 0,84 кг на 1 кг опилок;

– количество пара низкого давления на паровую турбину при газификации опилок – 1,28 кг на 1 кг опилок.

Получены следующие результаты расчета:

– количество электроэнергии, вырабатываемой паровой турбиной при газификации 1 кг опилок – 0,70 кВт·ч;

– количество электроэнергии, вырабатываемой основными двигателями при газификации 1 кг опилок – 1,23 кВт·ч;

– суммарное количество энергии, вырабатываемой всеми турбинами, в результате газификации 1 кг опилок – 1,93 кВт·ч;

– количество энергии, заключенной в произведенном метаноле -3,07 кВт·ч.;

– термический КПД процесса получения метанола – 0,928.

Пример 3

Перерабатываемое сырье – вода, не пригодная для питья, или смесь воды с любыми углеродсодержащими органическими или неорганическими соединениями, включая отходы и газы. Один из возможных вариантов реализации такого процесса представлен на фиг.3. Способ реализуется следующим образом.

Если вода не содержит органических веществ, то она предварительно смешивается по одной из известных технологий с твердыми, или жидкими, или газообразными, или со всеми одновременно углеродсодержащими продуктами, после чего подается в блок реакторов газификации 1, в котором в процессе газификации превращается в смесь газов. Количество подаваемой смеси должно быть таким, чтобы обеспечить в реакционной зоне блока реакторов температуру порядка 2000-5000 К, при температуре плазмы порядка 8000 К и давление до 10-15 МПа, в зависимости от элементного состава примесей в перерабатываемой воде. При этой температуре не содержащие углерод вещества оплавляются, подаются в шлакоприемник реактора и затем утилизируются. Углерод и вода превращаются в газы, состоящие из водорода, оксида углерода и частично или полностью диссоциированных молекул воды. Эта смесь подается в двигатель 2, где она расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию, а пар из встроенного в реактор парового котла 6 – в паровую турбину 7. После выхода из двигателя 2 газы поступают в блок 8, где они отделяются, а вода конденсируется. Водород и оксид углерода направляются частично в реактор метанатор 3, частично – в блок реакторов синтеза органических соединений 5. Образовавшаяся в реакторе метанаторе смесь метана и водяного пара подается в двигатель 4, где она расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию, а из двигателя – в блок реакторов газификации 1. Цикл таким образом замыкается.

Переработка сточных вод и вод, загрязненных органическими веществами, должна сопровождаться выпуском химической органической продукции, поскольку участвующие в цикле работы двигателей вещества теоретически не расходуются. При использовании способа для опреснения воды может производиться также неорганическая продукция.

Исходные данные, используемые для проведения расчета:

– мощность, потребляемая плазменными горелками при расходе воды 1 л/с и температуре плазмы 8000 К – 24,3 МВт;

– количество тепла, ежесекундно подводимого к реактору – 23,1 МДж;

– температура водяного пара на входе в турбину – 1400 К;

– давление пара на входе в турбину – 10 МПа;

– давление пара на выходе из турбины – 0,05 МПа;

– количество тепла, необходимое для испарения 1 кг воды и нагрева 1 кг водяного пара до 1400 К – 5,69 МДж;

– мощность двигателей при расходе смеси водорода и оксида углерода и метано-паровой смеси 1 кг/с – 6,1 МВт, а в прототипе – 2,35 МВт;

– показатель адиабаты для водяного пара – 1,226;

– удельная газовая постоянная водяного пара – 461,5 Дж/кг К.

Получены следующие результаты расчета:

– количество воды и пара, ежесекундно нагреваемых выделенным теплом до температуры 1400 К – 4,06 кг;

– мощность паровой турбины – 11,59 МВт;

– суммарная мощность всех двигателей – 17,69 МВт;

– расход смеси водорода и оксида углерода и метанопаровой смеси через двигатель для компенсации тепловых потерь – 1,48 кг/с, а в прототипе – 4,6 кг/с.

Производимая продукция: дистиллированная вода, электроэнергия, тепловая энергия, неорганические шлаки, продукты органического и неорганического синтеза. Использование энергии от сторонних источников для производства упомянутой продукции не происходит.

Источники информации

1. «Химическая энциклопедия». М.: «Большая Российская энциклопедия», 1988-1998, т.1-5.

2. Манелис Г.Б., Полианчик Е.В., Фурсов В.П. Энерготехнологии сжигания на основе явления сверхадиабатических разогревов. «Химия в интересах устойчивого развития», 2000, 8, с.537-545.

3. Манелис Г.Б., Фурсов В.П., Стесик Л.Н. и др. Способ переработки отходов, содержащих углеводороды, патент RU 2116570 C1, F23G 7/00, 7/05; 1998.

4. Манелис Г.Б., Фурсов В.П., Полианчик Е.В. Способ переработки горючих твердых бытовых отходов, патент RU 2150045, 1998.

5. Клер A.M., Тюрина Э.А. Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза метанола. Новосибирск, «Наука», 1998. – 127 с.

6. Степанов B.C. Химическая энергия и энергия веществ. Новосибирск, «Наука», 1990. – 163 с.

7. Гурвич Л.В., Карачевцев Г.В. и др. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. М., «Наука», 1974. – 351 с.

8. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М., «Наука», 1972. – 780 с.

Формула изобретения

1. Способ преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе, включающий подачу подготовленного сырья в реактор газификации или конверсии, в котором его газифицируют или конвертируют в автотермическом или термическом режиме с образованием водорода, оксида углерода и сопутствующих продуктов, отделение сопутствующих продуктов, подачу смеси водорода и оксида углерода в реактор-метанатор, в котором образуется смесь метана и водяного пара – рабочее тело, подачу этой смеси в двигатель с последующим ее расширением и преобразованием в механическую энергию, отличающийся тем, что в двигатель подают образовавшиеся неразделенные продукты газификации – первое рабочее тело, при расширении которого в двигателе преобразуется тепловая и кинетическая энергия смеси в механическую энергию, а отработанное и охлажденное в двигателе первое рабочее тело разделяют на водород, оксид углерода и сопутствующие продукты, при этом отделенные водород и оксид углерода подают в реактор-метанатор, где в каталитическом процессе образуется метанопаровая смесь – второе рабочее тело, которое также подают во второй контур упомянутого двигателя, где оно в процессе расширения также преобразует энергию смеси в механическую энергию, а отработанную метанопаровую смесь и сопутствующие продукты возвращают в реактор газификации или конверсии, в котором вновь образуется смесь водорода и оксида углерода, при этом цикл замыкается.

2. Способ по п.1, в котором газификация или конверсия сырья осуществляется в плазмохимическом режиме.

3. Способ по п.2, в котором плазмообразующим веществом в плазмохимическом режиме является вода.

4. Способ по п.1, в котором к смеси водорода и оксида углерода, а также метана и водяного пара добавляют благородный газ или смеси благородных газов.

РИСУНКИ