RU111851U1

RU111851U1 - ALUMINUM-HYDROGEN POWER PLANT WITH GASIFICATION OF SOLID FUEL

Info

Publication number: RU111851U1
Application number: RU2011128805/05U
Authority: RU
Inventors: Пётр Павлович Иванов; Валентин Игоревич Ковбасюк; Виталий Иванович Мирошниченко
Original assignee: Учреждение Российской Академии Наук Объединенный Институт Высоких Температур Ран (Оивт Ран)
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2011-12-27

Abstract

Алюмоводородная энергетическая установка, содержащая высокотемпературный реактор окисления алюминия водяным паром, производимым за счет регенеративного тепла, в котором создается рабочее тело высоких параметров для тепловой машины первой ступени преобразования энергии в комбинированном цикле, которое, в свою очередь, является энергоносителем для последующих ступеней преобразования энергии при окислении кислородом воздуха, отличающаяся тем, что к указанному реактору окисления алюминия паром подключено устройство ввода газифицируемой углеродсодержащей среды, в частности малосернистого и малозольного угольного порошка, например, в виде водной суспензии, для его совместной газификации в среде реактора за счет выделяющегося тепла и при участии паров воды, а к выходу реактора подключен сепаратор твердой фазы, за которым подключена тепловая машина первой ступени комбинированного цикла. Hydrogen-aluminum power plant, containing a high-temperature reactor for the oxidation of aluminum by water vapor produced by regenerative heat, in which a working medium of high parameters is created for a heat engine of the first stage of energy conversion in a combined cycle, which, in turn, is an energy carrier for subsequent stages of energy conversion at oxidation by atmospheric oxygen, characterized in that a gasification input device is connected to said aluminum oxidation reactor by steam my carbon-containing medium, in particular low-sulfur and low-ash coal powder, for example, in the form of an aqueous suspension, for its joint gasification in the reactor medium due to the generated heat and with the participation of water vapor, and a solid phase separator is connected to the outlet of the reactor, after which the heat engine is connected the first stage of the combined cycle.

Description

Полезная модель относится к области электроэнергетики, а именно, к использованию алюминия в качестве чрезвычайно эффективного и чистого энергоносителя.The utility model relates to the field of electric power industry, namely, to the use of aluminum as an extremely efficient and clean energy carrier.

Известно применение алюминия в виде порошка для получения водорода в схемах гидротермального окисления с целью использования водорода в топливных элементах для производства электроэнергии - Автономные комбинированные энергоустановки с топливными элементами, работающими на продуктах гидротермального окисления алюминия. Дмитриев А.Л., Иконников В.К. и др. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology No 11 (67) 2008, Scientific Technical Centre "TATA", 2008. 10-16, - аналог. Недостатком энергоустановок такого типа является недоиспользование значительной части потенциальной энергии алюминия, выделяющейся реакторе окисления в виде тепла.It is known to use aluminum in the form of a powder for producing hydrogen in hydrothermal oxidation schemes for the use of hydrogen in fuel cells for electricity production - Autonomous combined power plants with fuel cells operating on hydrothermal oxidation of aluminum. Dmitriev A.L., Ikonnikov V.K. and other International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology No 11 (67) 2008, Scientific Technical Center "TATA", 2008. 10-16, - analogue. A disadvantage of power plants of this type is the underutilization of a significant part of the potential energy of aluminum released by the oxidation reactor in the form of heat.

Известна схема получения дополнительной энергии за счет включения за реактором окисления газовой турбины в качестве первой ступени комбинированного цикла, рабочим телом которого является пароводородная смесь, производимая при окислении алюминия водяным паром под давлением - Производство энергии на базе низкотемпературных алюмоводородных технологий. Жук А.З., Школьников Е.И., Мирошниченко В.И. и др. в Сб. статей 50 лет ОИВТ, Итоги и перспективы. Изд. ОИВТ РАН, Москва, 2010, с 556-568 - прототип. При этом водород, отработавший в газовой турбине, также используется в топливных элементах. Поскольку пар производится из воды, подаваемой в реактор окисления алюминия, под давлением, в этой схеме отсутствует основной источник потерь энергии в термодинамических циклах - газовый компрессор. И в принципе, поэтому, газовая турбина могла бы быть чрезвычайно эффективной, но для турбины существуют ограничения по предельной температуре на лопатках, и для снижения уровня температуры в рабочее тело добавляют пар. Существуют и другие варианты использования водорода под давлением в термодинамических циклах, например, в МГД-генераторе - Алюмоводородные МГД-генераторы. Шейндлин А.Е., Битюрин В.А. и др. в Сб. статей 50 лет ОИВТ, Итоги и перспективы. Изд. ОИВТ РАН, Москва, 2010, с 596-604. Однако для эффективной работы МГД-генератора нужна высокая электрическая проводимость рабочего тела, которая обеспечивается только при высокой температуре, поэтому коэффициент преобразования располагаемой энтальпии оказывается небольшим. Указанные выше ограничения использования энергии, полученной при использовании алюминия в качестве энергоносителя, и его высокая цена являются факторами, сдерживающими его применение.There is a known scheme for generating additional energy due to the inclusion of a gas turbine oxidation reactor as the first stage of the combined cycle, the working fluid of which is a steam-hydrogen mixture produced during the oxidation of aluminum by water vapor under pressure - Energy production based on low-temperature aluminum-hydrogen technologies. Zhuk A.Z., Shkolnikov E.I., Miroshnichenko V.I. and others in Sat. Articles 50 years of JIHT, Results and Prospects. Ed. JIHT RAS, Moscow, 2010, from 556-568 - prototype. At the same time, hydrogen spent in a gas turbine is also used in fuel cells. Since steam is produced from water supplied to the aluminum oxidation reactor under pressure, in this scheme there is no main source of energy loss in thermodynamic cycles - a gas compressor. And in principle, therefore, a gas turbine could be extremely efficient, but there are limitations on the temperature limit on the blades for the turbine, and steam is added to the working fluid to reduce the temperature level. There are other options for using hydrogen under pressure in thermodynamic cycles, for example, in an MHD generator — Hydrogen-aluminum MHD generators. Sheindlin A.E., Bityurin V.A. and others in Sat. Articles 50 years of JIHT, Results and Prospects. Ed. JIHT RAS, Moscow, 2010, pp. 596-604. However, for the efficient operation of the MHD generator, a high electric conductivity of the working fluid is required, which is ensured only at high temperature, therefore, the conversion coefficient of the available enthalpy is small. The above restrictions on the use of energy obtained when using aluminum as an energy carrier, and its high price are factors constraining its use.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу устранения этих негативных обстоятельств посредством существенного увеличения выхода газа, производимого в алюмоводородном реакторе с заданным расходом алюминия, пригодного и для привода газовой турбины как первой ступени преобразования энергии, и для последующего использования в топливных элементах, за счет расширения функций реактора, что обеспечивает существенный технико-экономический эффект.The proposed utility model solves the technical problem of eliminating these negative circumstances by significantly increasing the yield of gas produced in an aluminum-hydrogen reactor with a given flow rate of aluminum, suitable for driving a gas turbine as the first stage of energy conversion, and for subsequent use in fuel cells, by expanding the functions of the reactor that provides a significant technical and economic effect.

Для решения поставленной технической задачи предлагается алюмоводородная энергетическая установка, содержащая высокотемпературный реактор окисления алюминия водяным паром, производимым за счет регенеративного тепла, в котором создается рабочее тело высоких параметров для тепловой машины первой ступени преобразования энергии в комбинированном цикле, которое в свою очередь является энергоносителем для последующих ступеней преобразования энергии при окислении кислородом воздуха, отличающаяся тем, что к указанному реактору окисления алюминия паром подключено устройство ввода газифицируемой углеродсодержащей среды, в частности, малосернистого и малозольного угольного порошка, например, в виде водной суспензии, для его совместной газификации в среде реактора за счет выделяющегося тепла и при участии паров воды, а к выходу реактора подключен сепаратор твердой фазы, за которым подключена тепловая машина первой ступени комбинированного цикла.To solve the technical problem, we propose an aluminum-hydrogen power plant containing a high-temperature reactor for the oxidation of aluminum by water vapor produced by regenerative heat, in which a high-pressure working fluid is created for a heat engine of the first stage of energy conversion in a combined cycle, which in turn is the energy carrier for subsequent stages of energy conversion during oxidation by atmospheric oxygen, characterized in that the specified reactor is oxidized an aluminum vapor is connected to a device for introducing a gasified carbon-containing medium, in particular, low-sulfur and low-ash coal powder, for example, in the form of an aqueous suspension, for its combined gasification in the reactor medium due to the generated heat and with the participation of water vapor, and a solid separator is connected to the outlet of the reactor phase, after which the heat engine of the first stage of the combined cycle is connected.

Эффект достигается за счет того, что на каждый моль углерода, вводимого в реактор, за счет эндотермической реакции газификации по известному уравнению C+H₂O=CO+H₂, создается 2 моля горючего газа, что позволяет существенно, в несколько раз увеличить количество вырабатываемого в реакторе высококачественного газа для последующего использования в комбинированном цикле. В качестве тепловой машины первой ступени может быть установлена газовая турбина с высоким противодавлением, используемая главным образом для привода компрессора окислителя, за ней камера сгорания для сжигания горючих газов после первой турбины для привода более мощной турбины на продуктах сгорания. При использовании кислорода или высокого регенеративного подогрева воздуха, в том числе с кислородным обогащением, вместо второй ступени устанавливается МГД-генератор на продуктах сгорания, затем вспомогательное оборудование для использования регенеративного тепла, такое как парогенератор и воздухоподогреватель. Существенная экономия по стоимости топлива достигается за счет того, что на каждый моль алюминия в схему вводится несколько молей на порядки более дешевого топлива с высоким содержанием углерода для его газификации при сохранении преимуществ и возможностей алюмоводородных установок, с тем ограничением, однако, что новая горючая среда пригодна к использованию в высокотемпературных топливных элементах, не отравляемых присутствием окислов углерода. Фигуры 1-3 поясняют существо предлагаемой полезной модели с газификацией твердого топлива, осуществляемой за счет устройства дополнительного ввода в алюмоводородный реактор, с иллюстрацией полезных применений.The effect is achieved due to the fact that for every mole of carbon introduced into the reactor, due to the endothermic gasification reaction according to the well-known equation C + H ₂ O = CO + H ₂ , 2 moles of combustible gas are created, which allows a significant, several-fold increase in the amount high-quality gas produced in the reactor for subsequent use in the combined cycle. As a heat engine of the first stage, a high backpressure gas turbine can be installed, used mainly to drive the oxidizer compressor, followed by a combustion chamber for burning combustible gases after the first turbine to drive a more powerful turbine on combustion products. When using oxygen or high regenerative heating of air, including with oxygen enrichment, instead of the second stage, an MHD generator based on combustion products is installed, then auxiliary equipment for using regenerative heat, such as a steam generator and an air heater. Significant savings in fuel costs are achieved due to the fact that for each mole of aluminum several moles are introduced into the circuit for orders of magnitude cheaper fuel with a high carbon content for gasification while maintaining the advantages and capabilities of aluminum-hydrogen plants, with the limitation, however, that a new combustible medium suitable for use in high temperature fuel cells that are not poisoned by the presence of carbon oxides. Figures 1-3 explain the essence of the proposed utility model with the gasification of solid fuel, carried out by means of an additional input into the aluminum-hydrogen reactor, with an illustration of useful applications.

На фиг.1 представлена схема с газовой турбиной в качестве тепловой машины первой ступени. Здесь 1 - традиционный ввод порошка алюминия, 2 - воды, 3 - устройство ввода высокоуглеродного порошка или его водной суспензии в реактор 4, к выходу которого через сепаратор твердой фазы 5 подключен вход газовой турбины 6, к выходу которой подключены, в общем случае, потребители синтез-газа - смеси CO и H2, в частности, высокотемпературные топливные элементы 7.Figure 1 presents a diagram with a gas turbine as a heat engine of the first stage. Here 1 is a traditional input of aluminum powder, 2 is water, 3 is a device for introducing a high-carbon powder or its aqueous suspension into a reactor 4, the output of which through the solid phase separator 5 is connected to the input of a gas turbine 6, to the output of which, in general, consumers are connected synthesis gas - a mixture of CO and H2, in particular, high-temperature fuel cells 7.

На фиг.2 показана схема, отличающаяся от фиг.1 тем, что вторичный энергоноситель, то есть газ с высоким давлением с выхода первой газовой турбины 6, направляется для использования в камерах сгорания 8 и 11 высокоэффективной 2-х ступенчатой турбины 10 и 12 на продуктах сгорания, со впрыском пара в камеру сгорания 8, использующую часть потока произведенного в реакторе 4 горючего газа при сжигании с большим избытком окислителя, подаваемом с выхода компрессора окислителя 9, сбросом выхлопа 10 в камеру сгорания 11, куда подается вторая, еще не использованная часть потока энергоносителя с выхода турбины 6, а продукты сгорания направляют на вход турбины 12. Элемент 13 условно представляет систему утилизации сбросного тепла перед выхлопом газов сгорания в атмосферу. Эта система может, по необходимости, включать систему очистки газов перед сбросом в атмосферу.Figure 2 shows a diagram, different from Figure 1 in that the secondary energy carrier, that is, high-pressure gas from the output of the first gas turbine 6, is sent for use in the combustion chambers 8 and 11 of the highly efficient 2-stage turbine 10 and 12 on products of combustion, with steam injection into the combustion chamber 8, using part of the flow of combustible gas produced in the reactor 4 during combustion with a large excess of oxidizer supplied from the outlet of the oxidizer compressor 9, dumping the exhaust 10 into the combustion chamber 11, where the second is fed, has not yet been used The second part of an energy flow from the turbine outlet 6, and combustion products is directed to the turbine inlet 12. The element 13 is suspended waste heat recovery system before the combustion exhaust gas into the atmosphere. This system may, if necessary, include a gas purification system before being discharged into the atmosphere.

На фиг.3 представлен вариант схемы фиг.1, отличающийся использованием МГД-генератора (МГДГ) в качестве тепловой машины, подключенной к выходу турбины 6. Для этого на валу турбины 6 размещен компрессор 9, потоки топлива и окислителя подведены к камере сгорания МГД-генератора 7, а выхлопные газы МГД-генератора направляются в систему утилизации и регенерации тепла для подогрева окислителя и производства пара в реактор (не показаны).Figure 3 presents a variant of the circuit of figure 1, characterized by the use of an MHD generator (MHD) as a heat engine connected to the output of the turbine 6. For this, a compressor 9 is placed on the shaft of the turbine 6, the fuel and oxidant flows are led to the MHD combustion chamber - generator 7, and the exhaust gases of the MHD generator are sent to the heat recovery and recovery system to heat the oxidizer and produce steam in the reactor (not shown).

Все три варианта устройства работают следующим образом: исходные компоненты - порошковый алюминий, водяной пар и угольная суспензия, или порошок высокоуглеродного материала, подаются устройствами ввода в высокотемпературный алюмоводородный реактор при высоком давлении, где газифицируются за счет выписанной выше эндотермической реакции, тепловой эффект которой составляет около 130 кДж на моль прореагировавшего углерода, соответственно уменьшая выходную температуру, но увеличивая поток восстановительного газа, соответственно, на моль CO и моль H₂. Это намного рациональнее, чем просто добавлять воду или пар для снижения допустимой температуры в алюмоводородном реакторе и на входе в газовую турбину, являющуюся первой ступенью преобразования энергии в комбинированном алюмоводородном цикле, как это делается у прототипа. Как и у прототипа, предполагается установка сепаратора твердой фазы 5 за реактором перед турбиной, например, центробежного типа. В основном подлежит удалению Al₂O₃, зольная составляющая используемого малозольного угля составит единицы процентов твердой фазы. Сколько молей углерода и пара следует ввести в реактор, определяется из условий оптимизации конкретной схемы, и характеристиками оборудования, но по крайней мере, при температуре газа на выходе реактора 1500К таким образом можно получить 11 молей смеси горючих газов, в основном H₂ и CO вместо 3 молей H₂ без газификации, что позволяет в несколько раз увеличить расход и мощность первой ступени преобразования энергии - турбины 6, и количество энергоносителя, передаваемого для последующего использования. На фиг.1 представлена схема с подачей этого потока горючих газов с выхода турбины в батарею высокотемпературных топливных элементов, которые не отравляются окислами углерода при работе на такого рода вторичном энергоносителе. Можно, таким образом, ожидать существенного увеличения производительности и эффективности алюмоводородной энергетической установки за счет применения дополнительного устройства ввода углеродсодержащей среды в реактор на газификацию. В других вариантах установки согласно фиг.2 и фиг.3 давление за реактором 4 может без затрат на компримирование газов составлять сотни атмосфер, за счет чего за турбиной 6 с разумной степенью расширения горючих газов также возможно иметь высокое давление, отчего для дальнейшего использования этих газов в вариантах схемы фиг.2 и фиг.3 с газовой турбиной и с МГД-генератором дополнительно нужно использовать компрессор окислителя - воздуха на фиг.2 и обогащенного кислородом или регенеративно подогретого до температур выше 1000 С воздуха на фиг.3 Особенностью варианта схемы фиг.2 является возможность эффективного использования вторичного энергоносителя высоких параметров в двухступенчатой турбине с большим избытком окислителя для понижения максимальной температуры в первой ступени 10 и с добавлением топлива и окислителя во второй ступени 12. Этот вариант привлекателен возможностью получения высокого к.п.д. преобразования энергии на существующем передовом оборудовании. Для некоторых задач может быть интересен МГД-генератор. Подбор параметров схемы позволяет осуществить компримирование окислителя для МГД-генератора в схеме фиг.3 за счет привода от турбины 6, что позволяет обеспечить его высокоманевренное включение в автономном режиме. Во всех рассмотренных случаях использование устройства дополнительного ввода углеродсодержащей среды на газификацию в алюмоводородный реактор резко повышает эффективность энергетической установки.All three device variants work as follows: the initial components — aluminum powder, water vapor and coal suspension, or high-carbon material powder — are supplied by input devices to a high-temperature aluminum-hydrogen reactor at high pressure, where they are gasified by the above-described endothermic reaction, the thermal effect of which is about 130 kJ per mole of reacted carbon, respectively reducing the outlet temperature, but increasing the flow of reducing gas, respectively, per mole CO and mol H ₂ . This is much more rational than simply adding water or steam to reduce the permissible temperature in the aluminum-hydrogen reactor and at the entrance to the gas turbine, which is the first stage of energy conversion in the combined aluminum-hydrogen cycle, as is done with the prototype. As with the prototype, it is proposed to install a solid phase separator 5 behind the reactor in front of the turbine, for example, a centrifugal type. Basically, Al ₂ O ₃ is to be removed, the ash component of the low-ash coal used will amount to a few percent of the solid phase. How many moles of carbon and steam should be introduced into the reactor, is determined from the optimization conditions of a particular circuit, and by the characteristics of the equipment, but at least when the gas temperature at the outlet of the reactor is 1500K, this way you can get 11 moles of a mixture of combustible gases, mainly H ₂ and CO instead 3 moles of H ₂ without gasification, which allows several times to increase the flow rate and power of the first stage of energy conversion - turbine 6, and the amount of energy transferred for subsequent use. Figure 1 presents a diagram with the supply of this flow of combustible gases from the output of the turbine into the battery of high-temperature fuel cells that are not poisoned by carbon oxides when working on this kind of secondary energy source. Thus, one can expect a significant increase in the productivity and efficiency of the aluminum-hydrogen power plant due to the use of an additional device for introducing a carbon-containing medium into the gasification reactor. In other embodiments of the installation according to FIG. 2 and FIG. 3, the pressure downstream of the reactor 4 can be hundreds of atmospheres without the cost of gas compression, due to which it is also possible to have high pressure behind the turbine 6 with a reasonable degree of expansion of combustible gases, which is why these gases can be used further in the variants of the circuit of FIG. 2 and FIG. 3 with a gas turbine and with an MHD generator, it is additionally necessary to use an oxidizer compressor — air in FIG. 2 and enriched with oxygen or regeneratively heated to temperatures above 1000 ° C in FIG. A common feature of the embodiment of FIG. 2 is the possibility of efficiently using a high-energy secondary energy carrier in a two-stage turbine with a large excess of oxidizing agent to lower the maximum temperature in the first stage 10 and with the addition of fuel and an oxidizing agent in the second stage 12. This option is attractive because of the possibility of obtaining high efficiency d. energy conversion on existing advanced equipment. For some tasks, an MHD generator may be of interest. The selection of the circuit parameters allows the oxidizing agent to be compressed for the MHD generator in the circuit of Fig. 3 due to the drive from the turbine 6, which allows for its highly maneuverable inclusion in the autonomous mode. In all cases considered, the use of a device for additionally introducing a carbon-containing medium for gasification into an aluminum-hydrogen reactor sharply increases the efficiency of the power plant.

Claims

Hydrogen-aluminum power plant, containing a high-temperature reactor for the oxidation of aluminum by water vapor produced by regenerative heat, in which a working medium of high parameters is created for a heat engine of the first stage of energy conversion in a combined cycle, which, in turn, is an energy carrier for subsequent stages of energy conversion at oxidation by atmospheric oxygen, characterized in that a gasification input device is connected to said aluminum oxidation reactor by steam my carbon-containing medium, in particular low-sulfur and low-ash coal powder, for example, in the form of an aqueous suspension, for its joint gasification in the reactor medium due to the generated heat and with the participation of water vapor, and a solid phase separator is connected to the outlet of the reactor, after which the heat engine is connected the first stage of the combined cycle.