RU129998U1

RU129998U1 - COMBINED STEAM-GAS-TURBINE INSTALLATION ON HYDROTHERMAL ALUMINUM PRODUCTS

Info

Publication number: RU129998U1
Application number: RU2012131930/06U
Authority: RU
Inventors: Андрей Зиновьевич Жук; Валентина Алексеевна Васильева; Михаил Сергеевич Власкин; Алексей Викторович Лисицин; Игорь Витальевич Мирошниченко; Евгений Иосифович Школьников
Priority date: 2012-07-26
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2013-07-10

Abstract

Комбинированная парогазотурбинная установка на продуктах гидротермального окисления алюминия, содержащая расходную емкость суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде, насос высокого давления, реактор, регулирующие клапаны на линии ввода суспензии алюминия и линиях вывода пароводородной смеси и суспензии твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, емкость сбора твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, пароводородную турбину, отличающаяся тем, что выход пароводородной турбины по пароводородной смеси соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с камерой сгорания, вход которой по воздуху соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с воздушным компрессором, выход камеры сгорания по парогазовой смеси соединен с газовой турбиной, выход которой по парогазовой смеси соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с конденсатором, выход которого по воде соединен через подкачивающий насос с расходной емкостью суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде.Combined steam-gas-turbine installation on hydrothermal oxidation products of aluminum, containing a flow tank of a suspension of finely divided aluminum powder in water, a high pressure pump, a reactor, control valves on the input line of the suspension of aluminum and the output lines of the steam-hydrogen mixture and the suspension of solid products of hydrothermal oxidation of aluminum, the collection capacity of solid hydrothermal solid products oxidation of aluminum, a steam turbine, characterized in that the output of the steam turbine through the steam cm si is connected through a sectioned heat exchanger-recuperator with a combustion chamber, the air input of which is connected through a sectioned heat exchanger-recuperator with an air compressor, the output of the combustion chamber through a gas-vapor mixture is connected to a gas turbine, the output of which through a gas-vapor mixture is connected through a sectioned heat exchanger-recuperator with a condenser, the water outlet of which is connected through a booster pump to the flow rate of a suspension of finely divided aluminum powder in water.

Description

Полезная модель относится к области водородной энергетики, более конкретно, к газотурбинным установкам, работающим на продуктах гидротермального окисления алюминия, предназначенных для использования в составе автономных экологически безопасных энергоустановок на базе конверсированных газотурбинных двигателей небольшой и умеренной мощности.The utility model relates to the field of hydrogen energy, and more specifically, to gas turbine plants operating on the products of hydrothermal oxidation of aluminum, intended for use in stand-alone environmentally friendly power plants based on converted gas turbine engines of small and moderate power.

В последние годы в рамках водородной энергетики активно проводятся разработки автономных экологически чистых энергоустановок. Применение водорода в качестве топлива для этих установок обеспечивает их высокий термический КПД и благоприятные экологические показатели. Однако, поскольку хранение и транспортировка водорода связана с серьезными техническими проблемами, перспективными представляются энергетические установки на основе окисления алюминия в высокотемпературном водяном (гидротермальном) потоке с производством водорода на месте его потребления.In recent years, within the framework of hydrogen energy, the development of autonomous environmentally friendly power plants has been actively carried out. The use of hydrogen as fuel for these plants ensures their high thermal efficiency and favorable environmental performance. However, since the storage and transportation of hydrogen is associated with serious technical problems, power plants based on the oxidation of aluminum in a high-temperature water (hydrothermal) stream with hydrogen production at the place of its consumption seem promising.

В основу положен способ производства водорода гидролизом мелкодисперсных порошков алюминия, осуществляемый в реакторе высокого давления с получением товарных гидроксидов алюминия (бемита):It is based on a method for the production of hydrogen by hydrolysis of finely divided aluminum powders, carried out in a high-pressure reactor to produce salable aluminum hydroxides (boehmite):

Al+2H₂O→AlOOH+1,5H₂+QAl + 2H ₂ O → AlOOH + 1,5H ₂ + Q

Параметры продуктов реакции (состав, температура, давление) полностью определяются параметрами реакционной зоны реактора, и прежде всего, массовым соотношением алюминия и воды. При этом теплота реакции Q (15,3 МДж/кг Al) идет на подогрев компонентов топлива и продуктов реакции и испарение избытка воды, так что в реакторе образуется пароводородная смесь с температурой, равной температуре насыщения паров воды при соответствующем парциальном давлении паров воды в смеси.The parameters of the reaction products (composition, temperature, pressure) are completely determined by the parameters of the reaction zone of the reactor, and above all, the mass ratio of aluminum and water. In this case, the reaction heat Q (15.3 MJ / kg Al) is used to heat the fuel components and reaction products and evaporate the excess water, so that a steam-hydrogen mixture is formed in the reactor with a temperature equal to the temperature of saturation of water vapor at the corresponding partial pressure of water vapor in the mixture .

Известна установка, содержащая реактор гидротермального окисления алюминия - камеру сгорания, пароводородную турбину, сепаратор для очистки пароводородной смеси от оксидов алюминия, теплообменник-рекуператор для производства горячей воды и перегретого пара, используемых в качестве окислительной компоненты топливной композиции и теплообменное оборудование для конденсации пара и сепарации воды и водорода из пароводородной смеси (T.F.Miller, J.L.Wolter, D.H.Kiely "A Next-Genevation AUV Energy Sistem Based on Aluminum-Seawater Combustion" IEEE/OES AUV 2002 Worкshop on AUV Energy Sistem, San Antonio, TX).A known installation containing a hydrothermal oxidation reactor of aluminum - a combustion chamber, a steam-turbine, a separator for cleaning the steam-hydrogen mixture from aluminum oxides, a heat exchanger-recuperator for the production of hot water and superheated steam used as an oxidizing component of the fuel composition and heat exchange equipment for steam condensation and separation water and hydrogen from a steam-hydrogen mixture (TFMiller, JLWolter, DHKiely "A Next-Genevation AUV Energy Sistem Based on Aluminum-Seawater Combustion" IEEE / OES AUV 2002 Workshop on AUV Energy Sistem, San Antonio, TX).

В известной установке реактор гидротермального окисления алюминия представляет собой вихревую камеру сгорания высокого давления для генерации высокотемпературного потока пароводородной смеси с большим содержанием оксидов алюминия, надежную работу газовой пароводородной турбины обеспечивает сепаратор-отделитель твердой фазы, теплообменник-рекуператор используется для регенерации тепловой энергии пароводородного потока. К недостаткам известного устройства следует отнести недоиспользование химической энергии генерируемого водорода, что приводит к недостаточно высокой термической эффективности процесса производства электроэнергии, составляющей 20÷26%, а также проблему эффективной сепарации твердых продуктов реакции.In the known installation, the hydrothermal oxidation reactor of aluminum is a high-pressure vortex combustion chamber for generating a high-temperature stream of a steam-hydrogen mixture with a high content of aluminum oxides, reliable operation of a gas-steam turbine is provided by a solid phase separator-separator, and a heat exchanger-recuperator is used to regenerate the thermal energy of the hydrogen-steam stream. The disadvantages of the known device include underutilization of the chemical energy of the generated hydrogen, which leads to insufficiently high thermal efficiency of the electric power production process, comprising 20 ÷ 26%, as well as the problem of efficient separation of solid reaction products.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является автономная комбинированная энергетическая установка, содержащая реактор гидротермалыюго окисления порошкообразного алюминия, средства для утилизации тепловой энергии и водорода в электрохимическом генераторе на топливных элементах, блоки питания и управления работой установки (см. патент РФ №2388649, опублик. 10.05.2010 - прототип).The closest technical solution to the proposed one is an autonomous combined power plant containing a hydrothermal oxidation reactor of powdered aluminum, means for utilizing thermal energy and hydrogen in an electrochemical fuel cell generator, power supply units and unit operation control (see RF patent No. 2388649, published. 10.05 .2010 - prototype).

Особенностью известной энергетической установки является то, что она содержит бункер с порошком алюминия, подающее устройство, смеситель, насос высокого давления, распылительное устройство, указанный реактор, дроссельные регуляторы, конденсаторы, фильтр, осушитель водорода, электрохимический генератор, питательную емкость с водой и емкость сбора твердых продуктов реакции, при этом установка снабжена пароводородной турбиной, теплообменниками-конденсаторами и сепараторами, насосом высокого давления воды, котлом утилизатором, который связан с химическим реактором через дроссельный регулятор, а также соединен с электрохимическим генератором, пароводородной турбиной и через теплообменник-конденсатор с сепаратором, а пароводородная турбина через теплообменник-конденсатор, сепаратор, дроссельный регулятор, фильтр и осушитель водорода соединена с электрохимическим генератором.A feature of the well-known power plant is that it contains a hopper with aluminum powder, a feed device, a mixer, a high pressure pump, a spray device, the specified reactor, throttle controllers, capacitors, a filter, a hydrogen dryer, an electrochemical generator, a feed tank with water and a collection tank solid reaction products, while the installation is equipped with a steam-turbine, heat exchangers, condensers and separators, a high pressure water pump, a waste heat boiler, which Knit chemical reactor through the throttle controller and connected to an electrochemical generator, steam-turbine and the heat exchanger-condenser with a separator, and steam-turbine-condenser through a heat exchanger, a separator, a throttle controller, a filter and the hydrogen dehumidifier connected with the electrochemical generator.

В известной установке образующаяся в реакторе пароводородная смесь расширяется в пароводородной турбине до давления близкого к атмосферному и далее поступает в теплообменник-конденсатор, где осуществляется конденсация водяного пара из пароводородной смеси, откуда влажный водород направляется через сепаратор, дроссельный регулятор и фильтр в осушитель водорода и затем в водородовоздушный электрохимический генератор, где осуществляется прямое преобразование химической энергии водорода в электрическую, КПД комбинированной установки достигает ~35%; суспензия твердых продуктов реакции с водой через дроссельный клапан, в котором ее давление сбрасывается до атмосферного, поступает в емкость сбора твердых продуктов реакции, откуда насыщенный водяной пар направляется в конденсатор, а вода возвращается в питательную емкость с водой. Параметры процесса поддерживаются на уровне Т=310±10°C, Р=11÷12 МПа. Температурный режим поддерживается за счет тепловой реакции при соотношении масс воды и алюминия (8,0÷8,2):1.In a known installation, the steam-hydrogen mixture formed in the reactor expands in a steam-turbine to a pressure close to atmospheric pressure and then enters a heat exchanger-condenser, where water vapor is condensed from the steam-hydrogen mixture, from where moist hydrogen is sent through a separator, a throttle controller and a filter to a hydrogen dryer and then into a hydrogen-air electrochemical generator, where the direct conversion of the chemical energy of hydrogen into electrical energy is carried out, the efficiency of a combined installation and reaches ~ 35%; a suspension of solid reaction products with water through a throttle valve, in which its pressure is released to atmospheric pressure, enters the collecting tank of solid reaction products, from where saturated water vapor is sent to the condenser, and water is returned to the feed tank with water. Process parameters are maintained at the level of T = 310 ± 10 ° C, P = 11 ÷ 12 MPa. The temperature regime is maintained due to the thermal reaction when the mass ratio of water and aluminum (8.0 ÷ 8.2): 1.

Надежное функционирование известной энергетической установки связано с возможностью осуществления непрерывной работы установки и регулирования производительности водорода и, следовательно, мощности комбинированной энергоустановки с помощью насоса высокого давления в широких пределах. К недостаткам известной установки следует отнести высокую стоимость (до 5000 USD/кВт) и малый ресурс работы водородовоздушного электрохимического генератора, повышенные требования к качеству водорода, поступающего в электрохимический генератор, проблемы утилизации низкопотенциального тепла из электрохимического генератора в системе теплоснабжения вследствие низкой рабочей температуры электрохимического генератора на основе твердополимерного топливного элемента.Reliable operation of the known power plant is associated with the possibility of continuous operation of the plant and regulation of hydrogen productivity and, therefore, the power of the combined power plant using a high pressure pump over a wide range. The disadvantages of the known installation include the high cost (up to 5000 USD / kW) and the low life of the hydrogen-air electrochemical generator, increased requirements for the quality of hydrogen entering the electrochemical generator, problems of utilization of low potential heat from the electrochemical generator in the heat supply system due to the low operating temperature of the electrochemical generator based on solid polymer fuel cell.

Решаемой задачей предложенной полезной модели является создание более эффективной и экономичной в работе комбинированной парогазотурбинной установки на продуктах гидротермального окисления алюминия, использующей полную энергию сгорания алюминия.The solved problem of the proposed utility model is the creation of a more efficient and economical combined gas-turbine unit using hydrothermal oxidation products of aluminum using the full energy of aluminum combustion.

Достигаемый технический результат заключается в устранении указанных недостатков известных технических решений, повышении ресурса, надежности, термодинамической и экономической эффективности комбинированной установки путем совершенствования технологической схемы установки.The technical result achieved is to eliminate the indicated disadvantages of the known technical solutions, increase the resource, reliability, thermodynamic and economic efficiency of the combined installation by improving the technological scheme of the installation.

Указанный технический результат достигается тем, что в комбинированной парогазотурбинной установке на продуктах гидротермального окисления алюминия, содержащей расходную емкость суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде, насос высокого давления, реактор, регулирующие клапаны на линии ввода суспензии алюминия и линиях вывода пароводородной смеси и суспензии твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, емкость сбора твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, пароводородную турбину, согласно полезной модели, выход пароводородной турбины по пароводородной смеси соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с камерой сгорания, вход которой по воздуху соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с воздушным компрессором, выход камеры сгорания по парогазовой смеси соединен с газовой турбиной, выход которой по парогазовой смеси соединен через секционированный теплообменник-рекуператор с конденсатором, выход которого по воде соединен через подкачивающий насос с расходной емкостью суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде.The specified technical result is achieved by the fact that in a combined steam and gas turbine installation on hydrothermal aluminum oxidation products containing a flow tank of a suspension of finely dispersed aluminum powder in water, a high pressure pump, a reactor, control valves on the input line of the suspension of aluminum and the output lines of the steam-hydrogen mixture and the suspension of solid hydrothermal products aluminum oxidation, the collection capacity of solid products of hydrothermal oxidation of aluminum, a steam turbine, according to useful models, the output of a steam-turbine turbine through a steam-hydrogen mixture is connected through a sectioned heat exchanger-recuperator to a combustion chamber, the air inlet of which is connected through a sectioned heat exchanger-recuperator to an air compressor, the output of a combustion chamber through a steam-gas mixture is connected to a gas turbine, the output of which through a gas-vapor mixture is connected through sectionalized heat exchanger-recuperator with a condenser, the water outlet of which is connected through a booster pump to the suspension flow capacity of the suspension th aluminum powder in water.

Такое выполнение полезной модели позволяет решить поставленную задачу создания более эффективной и экономичной в работе комбинированной парогазотурбинной установки на продуктах гидротермального окисления алюминия, в которой используется полная энергия сгорания алюминия, а также достичь указанный технический результат, заключающийся в повышении ресурса, надежности, термодинамической и экономической эффективности комбинированной установки.This implementation of the utility model allows us to solve the problem of creating a more efficient and economical combined gas and gas turbine plant using hydrothermal oxidation products of aluminum, which uses the total energy of aluminum combustion, and also to achieve the specified technical result, which consists in increasing the resource, reliability, thermodynamic and economic efficiency combined installation.

На фигуре представлена блок-схема предложенной комбинированной парогазотурбинной установки на продуктах гидротермального окисления алюминия.The figure shows a block diagram of the proposed combined steam and gas turbine installation on the products of hydrothermal oxidation of aluminum.

Энергоустановка включает расходную емкость 1 суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде, где порошок алюминия смешивается с водой. Водная суспензия алюминия с массовым соотношением H₂O:Al~8÷9:1 непрерывно готовится в расходной емкости 1 суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде и далее насосом высокого давления 2 непрерывно подается в реактор 3, где генерируется пароводородная смесь высокого давления (10÷20 МПа, То=310÷360°C), подаваемая далее в пароводородную турбину 4, где расширяется до давления ~1,0 МПа. После турбины пароводородная смесь направляется в первую секцию секционированного теплообменника-рекуператора 5, где нагревается до ~900÷1000 К и подается в камеру сгорания 6, куда также поступает компримированный и нагретый во второй секции секционированного теплообменника-рекуператора 5 до ~700÷800 К воздух горения после воздушного компрессора 7, а продукты сгорания (парогазовая смесь) из камеры сгорания 6 далее расширяются в газовой турбине 8 и затем поступают в секционированный теплообменник-рекуператор 5, где отдают тепло пароводородному потоку (первая секция) и компримированному воздуху (вторая секция). Охлажденные таким образом продукты сгорания (пароазотная смесь), содержащие значительное количество воды в виде пара конденсируются в охлаждаемом сетевой водой конденсаторе 9, после которого вода подкачивающим насосом 10 возвращается в цикл (в расходную емкость 1), а азот выбрасывается в атмосферу. При этом тепло конденсации передается сетевой воде на теплофикацию, а коэффициент использования тепла топлива комбинированной энергоустановки достигает 60÷65%.The power plant includes a supply tank 1 of a suspension of finely divided aluminum powder in water, where the aluminum powder is mixed with water. An aqueous suspension of aluminum with a mass ratio of H ₂ O: Al ~ 8 ÷ 9: 1 is continuously prepared in a supply tank 1 of a suspension of finely divided aluminum powder in water and then pumped continuously to the reactor 3, where a high-pressure steam-hydrogen mixture is generated (10 ÷ 20 MPa, To = 310 ÷ 360 ° C), then supplied to the steam-turbine 4, where it expands to a pressure of ~ 1.0 MPa. After the turbine, the steam-hydrogen mixture is sent to the first section of the partitioned heat exchanger-recuperator 5, where it is heated to ~ 900 ÷ 1000 K and fed to the combustion chamber 6, which also receives compressed and heated air in the second section of the sectioned heat exchanger-recuperator 5 to ~ 700 ÷ 800 K combustion after the air compressor 7, and the combustion products (gas-vapor mixture) from the combustion chamber 6 are further expanded in a gas turbine 8 and then fed to a sectioned heat exchanger-recuperator 5, where heat is transferred to the steam-hydrogen otoku (first section) and compressed air (second section). Cooled combustion products (vapor-nitrogen mixture) containing a significant amount of water in the form of steam are condensed in a condenser 9 cooled by the mains water, after which water is returned to the cycle by the booster pump 10 (to the supply tank 1), and nitrogen is released into the atmosphere. In this case, the condensation heat is transferred to the network water for heating, and the coefficient of heat utilization of fuel of the combined power plant reaches 60–65%.

Водная суспензия твердых продуктов гидротермального окисления алюминия направляется в емкость 11 сбора твердых продуктов гидротермального окисления алюминия, где происходит разделение твердых продуктов гидротермального окисления алюминия и воды, а вода возвращается в расходную емкость 1 суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде. Компенсация потерь воды на производство водорода и твердых продуктов гидротермального окисления алюминия осуществляется подачей воды в расходную емкость извне.An aqueous suspension of solid products of hydrothermal oxidation of aluminum is sent to a container 11 for collecting solid products of hydrothermal oxidation of aluminum, where the separation of solid products of hydrothermal oxidation of aluminum and water occurs, and water is returned to the flow tank 1 of a suspension of finely divided aluminum powder in water. Compensation of water losses for the production of hydrogen and solid products of hydrothermal oxidation of aluminum is carried out by supplying water to the supply tank from the outside.

КПД такой комбинированной парогазотурбинной установки достигает 35÷40% за счет использования теплоты сгорания алюминия в пароводородной турбине, теплоты сгорания водорода из пароводородной смеси и дополнительного использования энтальпии отработавшей в турбине пароводородной смеси и компримированного воздуха после компрессора, подогретых в рекуператоре уходящими газами газовой турбины; при этом наличие в топливной пароводородной смеси водяного пара дает возможность работы второго газотурбинного двигателя на предельно допустимой температуре (~1500÷1600 К) при коэффициентах избытка окислителя в камере сгорания на уровне 1,0 (стехиометрическое соотношение), что значительно снижает мощность воздушного компрессора и обеспечивает наряду с длительным ресурсом работы ГТУ (десятки тысяч часов) и низкой стоимостью (~500 USD/KBT) радикальное подавление эмиссии NO_x до единиц ppm.The efficiency of such a combined steam-gas-turbine plant reaches 35–40% due to the use of the heat of combustion of aluminum in a steam-hydrogen turbine, the heat of combustion of hydrogen from a steam-hydrogen mixture and the additional use of the enthalpy of the spent steam-hydrogen mixture in the turbine and compressed air after the compressor heated in the exhaust gas recuperator of the gas turbine; at the same time, the presence of water vapor in the fuel-hydrogen mixture allows the second gas turbine engine to operate at the maximum permissible temperature (~ 1500 ÷ 1600 K) with excess oxidizer coefficients in the combustion chamber at the level of 1.0 (stoichiometric ratio), which significantly reduces the power of the air compressor and along with a long service life of gas turbines (tens of thousands of hours) and low cost (~ 500 USD / KBT), it provides a radical suppression of NO _x emissions to ppm units.

Комбинированные парогазотурбннные установки на продуктах гидротермального окисления алюминия являются перспективными для замещения энергетических установок, работающих на жидких углеводородах в децентрализованной энергетике, в районах с высокой экологической напряженностью, например, в мегаполисах, в качестве резервных установок, в том числе для покрытия пиковых нагрузок, а также для специальных применений.Combined steam-gas-turbine plants based on hydrothermal aluminum oxidation products are promising for replacing power plants operating on liquid hydrocarbons in decentralized energy in areas with high environmental stress, for example, in megalopolises, as backup plants, including for covering peak loads, as well as for special applications.

Claims

Combined steam-gas-turbine installation on hydrothermal oxidation products of aluminum, containing a flow tank of a suspension of finely divided aluminum powder in water, a high pressure pump, a reactor, control valves on the input line of the suspension of aluminum and the output lines of the steam-hydrogen mixture and the suspension of solid products of hydrothermal oxidation of aluminum, the collection capacity of solid hydrothermal solid products oxidation of aluminum, a steam turbine, characterized in that the output of the steam turbine through the steam cm si is connected through a sectioned heat exchanger-recuperator with a combustion chamber, the air input of which is connected through a sectioned heat exchanger-recuperator with an air compressor, the output of the combustion chamber through a gas-vapor mixture is connected to a gas turbine, the output of which through a gas-vapor mixture is connected through a sectioned heat exchanger-recuperator with a condenser, the water outlet of which is connected through a booster pump to the flow rate of a suspension of finely divided aluminum powder in water.