RU167447U1 - Энерготехнологическая установка - Google Patents

Энерготехнологическая установка Download PDF

Info

Publication number
RU167447U1
RU167447U1 RU2016115855U RU2016115855U RU167447U1 RU 167447 U1 RU167447 U1 RU 167447U1 RU 2016115855 U RU2016115855 U RU 2016115855U RU 2016115855 U RU2016115855 U RU 2016115855U RU 167447 U1 RU167447 U1 RU 167447U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aluminum
hydrogen
reactor
energy
steam
Prior art date
Application number
RU2016115855U
Other languages
English (en)
Inventor
Михаил Сергеевич Власкин
Евгений Иосифович Школьников
Андрей Зиновьевич Жук
Наталья Юрьевна Урусова
Игорь Витальевич Мирошниченко
Анна Юрьевна Полковникова
Александр Иванович Антошин
Зоя Петровна Рябинина
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН)
Priority to RU2016115855U priority Critical patent/RU167447U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU167447U1 publication Critical patent/RU167447U1/ru

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/32—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines with pressure velocity transformation exclusively in rotor, e.g. the rotor rotating under the influence of jets issuing from the rotor, e.g. Heron turbines
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/08—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents with metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
    • C01F7/00—Compounds of aluminium
    • C01F7/02—Aluminium oxide; Aluminium hydroxide; Aluminates
    • C01F7/42—Preparation of aluminium oxide or hydroxide from metallic aluminium, e.g. by oxidation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к области альтернативной водородной энергетики, конкретно к энерготехнологическим установкам на продуктах гидротермального окисления алюминия для производства электрической и тепловой энергии при одновременном получении товарных продуктов - водорода и бемита. Предложенная установка может найти применение при создании автономных экологически безопасных энерготехнологических установок, работающих на продуктах гидротермального окисления алюминия, преимущественно, для использования в энергодефицитных и депрессивных регионах.Технический результат предложенной энерготехнологической установки заключается в повышении КПД производства электрической энергии, количества и чистоты получаемого водорода, снижении затрат на его компримирование и увеличении концентрации бемита в суспензии при подготовке к переделу.Указанный технический результат достигается тем, что в энерготехнологической установке, содержащей реактор гидротермального окисления алюминия с узлами ввода в него водной суспензии алюминия, узлами вывода из него пароводородной смеси и водной суспензии гидроксидов алюминия, струйно-реактивную турбину в виде Сегнерова колеса, генератор электроэнергии, теплообменник-конденсатор парогазовой смеси и отделитель водорода, согласно полезной модели, узел ввода водной суспензии алюминия на первый вход реактора содержит смеситель, выполненный с возможностью поддержания в реакционной зоне реактора массового отношения подогретой в теплообменнике-конденсаторе воды под рабочим давлением реактора и алюминия в диапазоне 18-20, узел вывода водной суспензии гидроксидов

Description

Полезная модель относится к области альтернативной водородной энергетики, конкретно к энерготехнологическим установкам на продуктах гидротермального окисления алюминия для производства электрической и тепловой энергии при одновременном получении товарных продуктов - водорода и бемита. Предложенная установка может найти применение при создании автономных экологически безопасных энерготехнологических установок, работающих на продуктах гидротермального окисления алюминия, преимущественно, для использования в энергодефицитных и депрессивных регионах.
В настоящее время в рамках водородной и альтернативной энергетики активно разрабатываются автономные экологически чистые источники тепловой энергии. В их основу положен способ производства пароводородной смеси различного состава гидролизом порошков, в основном, алюминия, осуществляемым в реакторе высокого давления по реакции:
2Аl+4Н2O→2AlO(OH)+3H2+Q
При этом выход на 1 кг Аl составляет по водороду около - 1,2 м3, по бемиту - 2 кг и тепловой энергии пароводородной смеси - до 17 МДж.
Известны технические решения, относящиеся к гидротермальному окислению металлического алюминия для получения оксидов или гидроксидов алюминия и водорода в составе пароводородной смеси. Осуществление процесса окисления алюминия происходит в устройствах, включающих смеситель мелкодисперсного порошка алюминия с водой, реактор высокого давления, снабженный средствами для подачи в него водной суспензии алюминия, вывода суспензии гидроксидов алюминия и пароводородной смеси (см., например, патенты РФ №№2223221, 2363659, 114946, 2519450 и др.).
Общей особенностью известных технических решений являются: необходимость компримирования всего расхода используемой воды, конденсации и отделения воды от водорода, его накопление в баллонной рампе, вывода и осушки бемита. При этом, как правило, отсутствуют средства для дополнительного производства электрической энергии и квалифицированной утилизации тепла в цикле.
Известна комбинированная энергоустановка, включающая смеситель порошка алюминия с водой, насос высокого давления для нагнетания водной суспензии алюминия через распылитель в реактор гидротермального окисления алюминия, снабженный средствами для вывода бемита (АlOОН), парогазовой турбиной, конденсатором для отделения воды и влажного водорода, блоком осушки водорода и водородовоздушными топливными элементами для прямого преобразования химической энергии водорода в электрическую (см. А.Л. Дмитриев и др. "Автономные комбинированные энергоустановки с топливными элементами, работающими на продуктах гидротермального окисления алюминия" ISJAEE. Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология". №11. 2008 г. Научно-технический центр "TATA", 2008 г.).
Особенность известной энергетической установки состоит в том, что она включает смеситель порошка алюминия с водой при соотношении 1:(8,0÷8,2). Пароводородная смесь из реактора направляется в турбину, отдавая тепловую и потенциальную энергию, расширяется в ней до давления, близкого к атмосферному, поступает в конденсатор, где охлажденный водяной пар конденсируется до воды, из нее выделяется влажный водород, который направляют в блок полной осушки, а далее в водородовоздушный топливный элемент, где осуществляется прямое преобразование химической энергии водорода в электрическую. КПД такой комбинированной установки достигает 35%. Параметры процесса в реакторе поддерживаются на уровне 300±10°С и 11÷12 МПа. Температурный режим поддерживается за счет тепловой реакции гидротермального окисления алюминия.
Недостатком известной энергетической установки является сравнительно высокая удельная стоимость получаемой электроэнергии (5000 USD/кВт) и сложность установки, связанная с использованием дорогостоящих и низко ресурсных водородвоздушных полимерных топливных элементов для прямого преобразования химической энергии водорода в электрическую.
Известна установка по производству компримированного водорода, электроэнергии, тепла и гидроксидов 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 гидроксидов алюминия, конденсатор-парогенератор, устройство приема суспензии гидроксидов алюминия, баллонную рампу компримированного водорода и паровую турбину (см. патент РФ №136427, опублик. 10.01.2014).
Особенностью известной энергетической установки является то, что выход расходной емкости водной суспензии мелкодисперсного порошка алюминия соединен через насос высокого давления с входом реактора, выход которого по пароводородной смеси соединен через регулирующий клапан с входом конденсатора-парогенератора, выход которого по конденсату и водороду соединен с входом циклона-водоотделителя, выход которого по водороду соединен через теплообменник-доохладитель с баллонной рампой компримированного водорода, а выход по конденсату соединен через подкачивающий насос и регулирующий клапан с входом реактора; выход реактора по оксидам алюминия соединен через регулирующий клапан с входом приемного устройства гидроксидов алюминия, которое охлаждается сетевой водой, выход которого по конденсату соединен через подкачивающий насос и регулирующий клапан с входом реактора, причем конденсатор-парогенератор выполняет функции парогенератора второго контура, который содержит последовательно соединенные по воде и/или водяному пару конденсатор-парогенератор, регулирующий клапан на линии подвода пара к паровой турбине, паровую турбину с электрогенератором, бойлер-конденсатор, охлаждаемый сетевой водой, и циркуляционный насос на линии возврата конденсата второго контура в конденсатор-парогенератор; выход бойлера-конденсатора по сетевой воде соединен с входом приемного устройства гидроксидов алюминия; теплообменник-доохладитель охлаждается подпиточной водой, выход которого соединен с входом расходной емкости суспензии мелкодисперсного порошка алюминия в воде.
Тепло конденсации пароводородной смеси в известной энергетической установке передается в конденсаторе-парогенераторе рабочему телу второго контура - слабо перегретому пару среднего давления, который направляется на паровую турбину традиционного типа. Механическая энергия турбины преобразуется в электрическую с помощью электрогенератора. Отработавший в паровой турбине пар конденсируется в бойлере-конденсаторе, охлаждаемом сетевой водой системы теплоснабжения, откуда конденсат парового контура направляется в конденсатор-парогенератор на охлаждение и конденсацию пара из паро водородной смеси.
Паротурбинный цикл известной установки простой, без промперегрева и регенерации, с весьма умеренными параметрами. Термодинамический КПД парового цикла в этой установке находится на уровне 10-15%. Рекомендуемый уровень электрической мощности турбогенератора - от десятков до сотен кВт. Вырабатываемая тепловым двигателем электрическая мощность должна обеспечивать, прежде всего, собственные нужды установки. Основное требование к системе теплоснабжения - работа по графику в системе децентрализованного теплоснабжения. При этом тепловой двигатель паровая турбина работает по циклу Ренкина в области слабо перегретого пара умеренных параметров.
К недостаткам известной энергетической установки следует отнести сложность реализации двухконтурной схемы производства электроэнергии, относительно низкий коэффициент преобразования тепловой энергии в электрическую вследствие невысоких параметров используемого цикла, а также достаточно сложная схема выделения бемита из водной суспензии, выводимой из реактора. В двухконгурных схемах для производства водорода заданных параметров пароводородную смесь, выходящую из реактора, необходимо охладить, сконденсировать пар и вывести конденсат из потока, а полученный водород дополнительно осушить до заданною уровня влажности при закачке в баллоны. При этом необходимо отметить, что физическое тепло, уносимое из реактора пароводородной смесью составляет менее 50% от энергии, выделяемой в реакторе.
Альтернативой паротурбинному циклу по коэффициенту преобразования тепловой энергии в электрическую для повышения выходных параметров установки и производства компримированного водорода являются, так называемые, гидропаровые установки с Сегнеровым колесом. Получаемая в реакторе гидротермального окисления алюминия паро-водородо-водяная смесь с температурой 300÷350°С и давлением 10-15 бар экономически не целесообразна для реализации обычного паротурбинного цикла, но оказывается достаточно эффективной для гидропарового цикла с Сегнеровым колесом. Проведенные расчеты термодинамических свойств указанного рабочего тела, расчеты газодинамического тракта турбины, мощностные расчеты практика эксплуатации опытного образца предлагаемой установки показали принципиальную возможность реализации простейшего теплового двигателя - Сегнерова колеса в качестве привода электрогенератора.
Особенностью гидропаровой турбины является возможность ее эффективной работы на перепаде давления жидкой фазы - воды или водной суспензии, в данном случае, суспензии гидроксидов алюминия. Параметры такой суспензии близки к параметрам воды на линии насыщения TS - диаграммы на ее левой пограничной кривой. При этом исходная тепловая энергия суспензии составляет около 90% от общей энергии, выделяемой в реакторе. Кроме того, гидропаровая турбина может работать при наличии в суспензии твердой фазы (АlOОН) различных фракций, а получаемый в реакторе высокого давления влажный водород после осушки может быть направлен непосредственно в баллонную рампу.
Общая формула для КПД гидропаровой турбины в виде Сегнерова колеса имеет выражение: КПД=hГПТ/h0,
где hГПТ - удельная работа на ободе рабочего колеса, МДж/кг рабочего тела,
h0=i0-i2a - располагаемый теплоперепад, МДж/кг рабочего тела
Экспериментальные данные, полученные при исследовании сопловых устройств гидропаровых турбин с Сегнеровым колесом, работающих на вскипающей жидкости, определяют КПД подобной установки в диапазоне 12-17%. При этом гидропаровая турбина с одноступенчатым Сегнеровым колесом имеет 100% реактивность, что исключает эрозию лопаточного аппарата (см., например, ЗАО НПВП "Турбокон". Энергосбережение в электроэнергетике с использованием турбин малой и средней мощности. Калуга, 2001). По указанным данным в ОАО КТЗ в г. Калуга разработан и создан опытный образец гидропаровой турбины с Сегнеровым колесом мощностью 10-15 кВт и выше. Таким образом, турбинные установки, использующие низкопотенциальную теплоту энергии гидротермального окисления алюминия, могут использоваться в качестве привода гидропаровой турбины в виде Сегнерова колеса для привода генераторов или привода вспомогательных агрегатов на промышленных предприятиях.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является энерготехнологическая установка, содержащая реактор гидротермального окисления алюминия с узлами ввода в него водной суспензии алюминия, узлами вывода из него пароводородной смеси и водной суспензии гидроксидов алюминия, пароводородную турбину, генератор электроэнергии, теплообменник - конденсатор парогазовой смеси и отделитель водорода, причем в качестве турбины установка содержит Сегнерово колесо (см. патент РФ №103574, опублик. 20.04.2011 - прототип).
Особенностью известной установки с Сегнеровым колесом является то, что она включает: смеситель порошка алюминия с водой; насос высокого давления, подающий суспензию алюминия в реактор; тепловой двигатель-турбогенератор в составе одноступенчатой безлопаточной струйно-реактивной пароводородной турбины в виде Сегнерова колеса; диффузор для сбора потока пароводородной смеси, выходящей через верхний выход реактора; электромашинный генератор постоянного или переменного тока; конденсатор пароводородной смеси; сборник водорода; сборник твердых продуктов реакции алюминия с водой через нижний выход реактора; автоматизированную систему контроля и управления установкой.
Для известной энергетической установки электрической мощностью 10-15 кВт при рабочем объеме реактора 10-12 л., температуре пароводородной смеси на выходе из реактора - 340÷350°С и давлении в реакторе 30-40 бар расход пароводородной смеси - 40 г/с, давление перед турбиной 10-15 бар, максимальная частота вращения Сегнерова колеса - 9000 мин-1, диаметр Сегнерова колеса по оси сопел - 300 мм, масса Сегнерова колеса с валом - 90 кг, размер частиц подаваемого алюминиевого порошка АСВ-6 или АСД-4 - не более 1 мкм.
К недостаткам известной энергетической установки следует отнести сравнительно низкую эффективность преобразования тепловой энергии рабочего тела в электрическую, дополнительные затраты на компримирование водорода и подготовку гидроксидов алюминия к переделу.
Технический результат предложенной энерготехнологической установки заключается в повышении КПД производства электрической энергии, количества и чистоты получаемого водорода, снижении затрат на его компримирование и увеличении концентрации бемита в суспензии при подготовке к переделу.
Указанный технический результат достигается тем, что в энерготехнологической установке, содержащей реактор гидротермального окисления алюминия с узлами ввода в него водной суспензии алюминия, узлами вывода из него пароводородной смеси и водной суспензии гидроксидов алюминия, струйно-реактивную турбину в виде Сегнерова колеса, генератор электроэнергии, теплообменник - конденсатор парогазовой смеси и отделитель водорода, согласно полезной модели, узел ввода водной суспензии алюминия на первый вход реактора содержит смеситель, выполненный с возможностью поддержания в реакционной зоне реактора массового отношения подогретой в теплообменнике - конденсаторе воды под рабочим давлением реактора и алюминия в диапазоне 18-20, узел вывода водной суспензии гидроксидов алюминия с нижнего выхода реактора соединен через регулируемый вентиль с входом гидропаровой струйно-реактивной турбины в виде Сегнерова колеса с диффузором для сбора выходящего потока суспензии водяного пара и бемита, причем выход диффузора турбины соединен с входом сепаратора для отделения и вывода высококонцентрированной суспензии бемита через его первый выход на передел, второй выход сепаратора по водяному пару соединен через конденсатор, охлаждаемый сетевой водой, и насос высокого давления с вторым входом реактора, а узел вывода пароводородной смеси через верхний выход реактора включает тракт влажного водорода, соединенный через трубную часть теплообменника-конденсатора, влагоотделитель и регулируемый вентиль с баллонной рампой для компримированного водорода.
Такое выполнение полезной модели обеспечивает достижение задачи повышения эффективности энергетической установки и указанного технического результата по увеличению КПД производства электрической энергии, количества компримированного водорода и выхода высококонцентрированной суспензии бемита при подготовке к переделу. Предложенная энергтехнологическая установка ориентирована на прямую подачу одно-двух-трехфазной смеси на вход гидропаровой струйно-реактивной турбины в виде Сегнерова колеса без предварительного отделения газовой и твердой фаз, что позволяет использовать кинетическую энергию всего потока водной суспензии гидроксидов алюминия, поступающего с нижнего выхода реактора. Как и в известных гидропаровых турбинах конструктивно ступень турбины в виде Сегнерова колеса представляет собой диск с каналами для прохода многофазной смеси с известным содержанием бемита через тангенциально расположенные сопловые вставки турбины. Указанные вставки должны выполняться сменными в виде цилиндрических около и сверхзвуковых сопл, истечение рабочей среды из которых создает крутящийся момент, передаваемый на вал турбины и электрогенератора. Указанное массовое отношение подогретой в теплообменнике - конденсаторе воды под рабочим давлением реактора и алюминия в диапазоне 18-20 является оптимальным для обеспечения минимального содержания влаги в компримированном водороде, выводимом из реактора. При этом около 90% энергии, выделяющейся в реакционной зоне реактора, отводится именно с водной суспензией алюминия из нижней части реактора и поступает в упомянутую гидропаровую турбину.
На выходе гидропаровой турбины и в диффузоре осуществляется первоначальная сепарация твердой фазы бемита, а его основное отделение от водяного пара происходит в сепараторе с последующим выводом высококонцентрированной суспензии бемита через первый выход сепаратора на передел (сушку и прокалку). Отсепарированный влажный пар поступает в конденсатор, охлаждаемый сетевой водой, и насос высокого давления на второй вход реактора. Используемая в энергетической установке струйно-реактивная гидропаровая турбина тангенциального типа предназначена для преобразования энергии водной суспензии бемита в механическую энергию за счет располагаемого перепада давления смеси с указанными параметрами на выходе из реактора, что соответствует рабочей зоне на левой пограничной кривой линии насыщения жидкости TS диаграммы. В свою очередь, получаемый в реакторе влажный водород на выходе из теплообменника-конденсатора осушивается от капель воды уноса и собирается в баллонной рампе, откуда может быть направлен в дополнительный энергетический контур, например, в газовую турбину.
На фиг. 1 представлена блок-схема предложенной энерготехнологической установки.
Энерготехнологическая установка включает реактор 1 гидротермального окисления алюминия с узлами ввода в него водной суспензии алюминия, узлами вывода из него пароводородной смеси и водной суспензии гидроксидов алюминия, струйно-реактивную турбину гидропаровую турбину 2 в виде Сегнерова колеса, генератор электроэнергии 3, теплообменник - конденсатор 4 парогазовой смеси и отделитель водорода 5. Узел ввода водной суспензии алюминия на первый вход реактора 1 содержит смеситель 6, выполненный с возможностью поддержания в реакционной зоне реактора 1 массового отношения подогретой в теплообменнике-конденсаторе 4 воды под рабочим давлением реактора 1 и алюминия в диапазоне 18-20.
Узел вывода водной суспензии гидроксидов алюминия с нижнего выхода реактора 1 соединен через регулируемый вентиль 7 с входом одноступенчатой тангенциальной гидропаровой струйно-реактивной турбины 2 в виде Сегнерова колеса с диффузором для сбора выходящего потока суспензии водяного пара и бемита. Выход диффузора турбины 2 соединен с входом сепаратора 8 для отделения и вывода высококонцентрированной суспензии бемита через его первый выход на передел. Второй выход сепаратора 8 по водяному пару соединен через конденсатор 9, охлаждаемый сетевой водой, и насос высокого давления 10 с вторым входом реактора 1. Узел вывода пароводородной смеси через верхний выход реактора 1 включает тракт 11 влажного водорода, соединенный через трубную часть теплообменника - конденсатора 4, влагоотделитель 5 и регулируемый вентиль 12 с баллонной рампой 13 для компримированного водорода. На фиг. 1 поз.14, 15 обозначены насосы дистиллированной и сетевой воды, а поз.16, 17 обозначены регулирующие вентили подачи в реактор 1 суспензии и вывода водорода потребителю. Диффузор гидропаровой струйно-реактивной турбины 2 условно показан в виде прямоугольника, охватывающего турбину 2.
Энерготехнологическая установка функционирует следующим образом.
Подготовленная водная суспензия алюминия из смесителя 6 вводится через регулируемый вентиль 16 в предварительно разогретый и подготовленный реактор 1, где в реакционной зоне осуществляется гидротермальное окисление алюминия с образованием гидроксидов алюминия, водорода и выделением значительного количества тепловой энергии, идущей в основном на нагрев продуктов реакции и воды. Соотношение воды и алюминия в реакционной зоне поддерживается на уровне от 18 до 20. Влажный водород с примесью паров воды (Р=15-20 МПа, T=250-350°С) выводится из верхней части реактора 1 и направляется по тракту 11 в трубчатую часть теплообменника-конденсатора 4, где отдает физическое тепло и тепло конденсации примеси паров подпиточной воде, охлаждающей теплообменник-конденсатор 4 пароводородной смеси. Технический водород по физико-химическим показателям должен соответствовать требованиям ГОСТ 3022-80.
При работе гидропаровой струйно-реактивной турбины 2 на пароводной смеси с абразивной компонентой в виде гидрооксидов алюминия износу подвергаются, преимущественно, сопловые элементы конструкции турбины, обтекаемые высокоскоростным потоком. В качестве материала сменных сопловых вставок гидропаровой струйно-реактивной турбины используются износостойкие стали и сплавы, металлокерамика, керамика, надежно работающие в рассматриваемом диапазоне параметров (Т0<400°С. Р0=10-20 МПа). Для определения скорости взаимодействия с водой алюминиевых частиц сравнительно больших размеров (единицы мкм) в химических реакторах с кипящим (или фонтанирующим) слоем, можно пользоваться пересчетом на единицу поверхности в единицу времени прореагировавшего алюминия. Анализ показывает существенное повышение скорости упомянутой реакции с ростом температуры гидротермального окисления алюминия, которая быстро растет с увеличением до 300°С и выше.
Для работы предложенной энерготехнологической установки могут быть предусмотрены автоматический и полуавтоматический режимы работы с участием оператора. Система контроля и измерения параметров установки обеспечивает сбор данных для анализа режимов ее работы и ее эксплуатационных характеристик: температуры и давления в характерных точках схемы и агрегатов, времени пребывания алюминия в реакторе, состава парогазовой смеси на выходе из реактора, расхода компонентов суспензии и конденсата, температуры реактора, диффузора и конденсатора, концентрации водорода в помещении и др.
Выделяемая в реакторе энергия (15.4 МДж/кг А1) идет на нагрев продуктов реакции. В зависимости от массового соотношения воды и алюминия (коэффициент избытка окислителя) в реакционной зоне содержание водяного пара в пароводородной смеси может регулироваться в широких пределах. Поддержание указанных параметров в реакционной зоне реактора обеспечивается на указанном достаточно высоком уровне, что дает приемлемые скорости реакции и высокое качество получаемого водорода. Ввиду того, что большая часть тепловой энергии рабочей среды сосредоточена в водной суспензии гидроксидов алюминия в нижней зоне реактора это позволяет с большей эффективностью, чем в прототипе, преобразовать имеющийся теплоперепад в электрическую энергию с помощью гидропаровой струйно-реактивной турбины.
Таким образом, реализация технологии гидротермального окисления алюминия в предложенной энерготехнологической установке позволяет организовать экологически чистый, безотходный и энергоэффективный процесс производства электроэнергии, товарного бемита и компримированного водорода на месте его применения в необходимых объемах, что полностью снимает проблемы его транспортировки и хранения. Предложенное техническое решение отличается более простой, мало затратной и надежной технологической схемой производства компримированною водорода, закачиваемого непосредственно в баллоны с одновременным производством электрической энергии в заданных объемах и упрощением технологической цепочки подготовки суспензии бемита к переделу.
Устройство также обеспечивает непрерывность процесса, высокую чистоту водорода и гидроксидов алюминия, а также возможность регулирования параметров реактора путем непрерывного отвода продуктов реакции - пароводородной смеси и суспензии гидроксидов алюминия. При этом дополнительные затраты на закачку водорода в баллоны отсутствуют и таким образом представленная установка наилучшим способом обеспечивает производство товарного водорода высокой чистоты и высокого давления без дополнительного компримирования с одновременным производством электроэнергии, тепла и кондиционного бемита.
Преимущества используемой энерготехнологической установки - простота изготовления и обслуживания, ремонтопригодность, надежность работы. КПД предложенной установки для мощностей единицы и десятки кВт может достигать 10%, а для сотен кВт - 20% и более. Область применения энерготехнологической установки по предлагаемой полезной модели - децентрализованные автономные энергетические источники для энергоснабжения автономных потребителей электрической и тепловой энергией и водородом, а также автономные энерготехнологические комплексы по производству товарных продуктов - бемита и водорода. При этом производство электрической и тепловой энергии осуществляется в объемах, обеспечивающих, как минимум, собственные нужды комплекса, а коэффициент использования тепла топлива здесь может постигать 0,9 при КПД производства электроэнергии на уровне 10-15%.

Claims (1)

  1. Энерготехнологическая установка, содержащая реактор гидротермального окисления алюминия с узлами ввода в него водной суспензии алюминия, узлами вывода из него пароводородной смеси и водной суспензии гидроксидов алюминия, струйно-реактивную турбину в виде Сегнерова колеса, генератор электроэнергии, теплообменник-конденсатор парогазовой смеси и отделитель водорода, отличающаяся тем, что узел ввода водной суспензии алюминия на первый вход реактора содержит смеситель, выполненный с возможностью поддержания в реакционной зоне реактора массового отношения подогретой в теплообменнике-конденсаторе воды под рабочим давлением реактора и алюминия в диапазоне 18-20, узел вывода водной суспензии гидроксидов алюминия с нижнего выхода реактора соединен через регулируемый вентиль с входом гидропаровой струйно-реактивной турбины в виде Сегнерова колеса с диффузором для сбора выходящего потока суспензии водяного пара и бемита, причем выход диффузора турбины соединен с входом сепаратора для отделения и вывода высококонцентрированной суспензии бемита через его первый выход на передел, второй выход сепаратора по водяному пару соединен через конденсатор, охлаждаемый сетевой водой, и насос высокого давления с вторым входом реактора, а узел вывода пароводородной смеси через верхний выход реактора включает тракт влажного водорода, соединенный через трубную часть теплообменника-конденсатора, влагоотделитель и регулируемый вентиль с баллонной рампой для компримированного водорода.
RU2016115855U 2016-04-25 2016-04-25 Энерготехнологическая установка RU167447U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016115855U RU167447U1 (ru) 2016-04-25 2016-04-25 Энерготехнологическая установка

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016115855U RU167447U1 (ru) 2016-04-25 2016-04-25 Энерготехнологическая установка

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU167447U1 true RU167447U1 (ru) 2017-01-10

Family

ID=58451854

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016115855U RU167447U1 (ru) 2016-04-25 2016-04-25 Энерготехнологическая установка

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU167447U1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2713785C1 (ru) * 2019-04-29 2020-02-07 Общество с ограниченной ответственностью Финансово-промышленная компания "Космос-Нефть-Газ" Газотурбинная установка для переработки попутного нефтяного и различных низконапорных газов в электроэнергию

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU103574U1 (ru) * 2010-11-11 2011-04-20 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка Россельхозакадемии (ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии) Алюмоводородная энергетическая установка с сегнеровым колесом
RU136427U1 (ru) * 2012-07-26 2014-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН ) Установка по производству компримированного водорода, электроэнергии, тепла и гидроксидов алюминия
US20150360941A1 (en) * 2013-01-24 2015-12-17 Clean Wave Energy Corp Hydrogen production system and methods of using same
RU160574U1 (ru) * 2014-11-11 2016-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "Центр трансфера технологий "Энергоэффективность. Биотехнологии. Инновации" Гибридная энергетическая установка

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU103574U1 (ru) * 2010-11-11 2011-04-20 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка Россельхозакадемии (ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии) Алюмоводородная энергетическая установка с сегнеровым колесом
RU136427U1 (ru) * 2012-07-26 2014-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН ) Установка по производству компримированного водорода, электроэнергии, тепла и гидроксидов алюминия
US20150360941A1 (en) * 2013-01-24 2015-12-17 Clean Wave Energy Corp Hydrogen production system and methods of using same
RU160574U1 (ru) * 2014-11-11 2016-03-27 Общество с ограниченной ответственностью "Центр трансфера технологий "Энергоэффективность. Биотехнологии. Инновации" Гибридная энергетическая установка

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2713785C1 (ru) * 2019-04-29 2020-02-07 Общество с ограниченной ответственностью Финансово-промышленная компания "Космос-Нефть-Газ" Газотурбинная установка для переработки попутного нефтяного и различных низконапорных газов в электроэнергию

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107165723B (zh) 集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统
CN107935287A (zh) 一种超临界水氧化能量回收系统
WO2011148422A1 (ja) 発電・海水淡水化複合プラント
JPH025963B2 (ru)
CN105518258B (zh) 燃气涡轮装置及其操作方法
EP0005825A1 (en) Energy conversion method and system
CN114483290B (zh) 一种甲醇重整器耦合内燃机的复合压缩空气储能系统及方法
RU129998U1 (ru) Комбинированная парогазотурбинная установка на продуктах гидротермального окисления алюминия
CN102424756B (zh) 过热蒸压熄焦余热发电工艺及设备
RU167447U1 (ru) Энерготехнологическая установка
CN108150232A (zh) 一种分离超临界混合工质汽轮机排气的系统及抽吸方法
CN101949651A (zh) 干法水泥生产线的余热双压回收发电系统
RU2616148C2 (ru) Электрогенерирующее устройство с высокотемпературной парогазовой конденсационной турбиной
CN104577164A (zh) 基于铝水反应的单透平热电联产系统及方法
SA99200694B1 (ar) طريقة لانتاج أكسيد اثيلن بواسطة اكسدة الاتيلين oxide ehylene بواسطة أكسدة الإثيلن ethylene oxidizing مباشرة بهواء أو بأكسجين بشكل oxygen مباشر (بشكل مباشر)
RU136427U1 (ru) Установка по производству компримированного водорода, электроэнергии, тепла и гидроксидов алюминия
RU2529508C1 (ru) Способ повышения маневренности аэс
RU2411368C2 (ru) Способ работы энергетической установки с газотурбинным блоком
CN105484810A (zh) 一种乏汽机械压缩再利用的装置和方法
RU103574U1 (ru) Алюмоводородная энергетическая установка с сегнеровым колесом
CN210764426U (zh) 一种喷射器驱动的膜蒸馏纯净水制备系统
RU2347917C2 (ru) Комбинированная энергоустановка с ядерным реактором
CN208396754U (zh) 汽轮机启停系统及其工作系统
RU160574U1 (ru) Гибридная энергетическая установка
CN211012606U (zh) 一种超临界水氧化反应产物余热余压利用系统

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20180426