RU2291349C2 - Method of power generation - Google Patents
Method of power generation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2291349C2 RU2291349C2 RU2005106169/06A RU2005106169A RU2291349C2 RU 2291349 C2 RU2291349 C2 RU 2291349C2 RU 2005106169/06 A RU2005106169/06 A RU 2005106169/06A RU 2005106169 A RU2005106169 A RU 2005106169A RU 2291349 C2 RU2291349 C2 RU 2291349C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silicon
- fuel
- combustion
- carbon
- elemental fluorine
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к энергетике, а именно к способам получения тепловой энергии путем сжигания органического и неорганического топлива в окислителе. Частично может быть использовано в химической промышленности для получения кремния и редких тугоплавких металлов.The invention relates to energy, and in particular to methods for producing thermal energy by burning organic and inorganic fuel in an oxidizing agent. It can be partially used in the chemical industry to produce silicon and rare refractory metals.
Уровень техникиState of the art
Наиболее распространен способ получения энергии путем сжигания органического топлива в атмосферном воздухе, на его долю приходится примерно 80% потребляемой энергии. Указанный способ прост, однако он имеет ряд существенных недостатков:The most common method of generating energy by burning fossil fuels in atmospheric air, it accounts for about 80% of the energy consumed. This method is simple, but it has a number of significant disadvantages:
- источники органического топлива, из которых основными являются месторождения угля, нефти, газа, лес, истощаются и не могут быстро возобновляться;- sources of fossil fuels, of which the main are coal, oil, gas, forest deposits, are depleted and cannot be quickly renewed;
- коэффициент полезного действия от выделившегося при сгорании тепла не превышает 40-42%:- the efficiency from the heat released during combustion does not exceed 40-42%:
- при осуществлении способа в промышленном масштабе происходит сильное тепловое и химическое загрязнение окружающей среды парниковыми газами и твердыми отходами.- when implementing the method on an industrial scale, there is a strong thermal and chemical pollution of the environment by greenhouse gases and solid waste.
Предпринимаемые попытки избавится от этих недостатков, за счет предварительной подготовки, газификации органического сырья, использования его различных видов и форм, модернизации аппаратурного оформления процесса сжигания, введения избытка воздуха, необходимого для сжигания топлива, относительно стехиометрически необходимого количества, и проч. не дали существенных результатов. Проведение мероприятий очистки и обезвреживания вредных парниковых газов, образующихся в результате сгорания, углекислого газа, оксидов азота, сернистого газа и др., приводит к значительному удорожанию и нерентабельности производства.Attempts are being made to get rid of these shortcomings, due to preliminary preparation, gasification of organic raw materials, the use of its various types and forms, the modernization of the instrumentation of the combustion process, the introduction of excess air necessary for burning fuel, a relatively stoichiometrically necessary amount, and so on. did not give significant results. Carrying out measures for the cleaning and neutralization of harmful greenhouse gases resulting from combustion, carbon dioxide, nitrogen oxides, sulfur dioxide, etc., leads to a significant increase in the cost and cost-effectiveness of production.
Известен способ (см. патент на изобретение GB, №2271419, кл. F 23 D 14/32, 1994 г.) переработки твердого топлива путем сжигания его с использованием в качестве окислителя чистого кислорода, за счет чего исключают наличие примесей, имеющих место при горении углерода в атмосферном воздухе, снижается количество химических и тепловых выбросов в атмосферу, кроме того, получаемый достаточно чистый продукт горения может быть использован для дальнейшей переработки. Однако стоимость чистого кислорода без его рецикла очень высока, что приводит к экономической невыгодности производства энергии.A known method (see patent for the invention GB, No. 2271419, class F 23 D 14/32, 1994) processing of solid fuel by burning it using pure oxygen as an oxidizing agent, thereby eliminating the presence of impurities that occur when combustion of carbon in atmospheric air, the amount of chemical and thermal emissions into the atmosphere is reduced, in addition, a sufficiently clean combustion product obtained can be used for further processing. However, the cost of pure oxygen without its recycling is very high, which leads to the economic disadvantage of energy production.
Известен способ получения энергии за счет осуществления ядерных и термоядерных реакций. Доля ядерной энергетики составляет около 17% производства. Однако несмотря на свои достоинства, способ характеризуется высокой опасностью эксплуатации, происходит постоянное образование и накопление высокорадиоактивных отходов производства, способы обезвреживания которых, не разработаны, и уничтожение которых представляет собой большую проблему. Термоядерный способ получения энергии не вышел из стадии лабораторных обоснований его осуществимости.A known method of generating energy through the implementation of nuclear and thermonuclear reactions. The share of nuclear energy is about 17% of production. However, in spite of its advantages, the method is characterized by a high operational hazard, highly radioactive production waste is constantly being generated and accumulated, the methods for which are not decontaminated, and the destruction of which is a big problem. The thermonuclear method of generating energy has not left the stage of laboratory justification of its feasibility.
Известны и имеют практическое применение способы получения энергии от возобновляемых источников: солнца, ветра, приливов и др. (см. Твайделл Дж. Возобновляемые источники энергии. М.: Энергоатомиздат, 1990). Указанные способы являются экологически чистыми и независимыми, однако энергосистемы, работающие на указанных источниках, имеют ограниченное применение из-за низкой стабильности выходной мощности, кроме работающих на солнечной энергии, зависимости от местных условий, дорогостоящего оборудования.Known and have practical application are methods of obtaining energy from renewable sources: the sun, wind, tides, etc. (see Twidell J. Renewable energy sources. M: Energoatomizdat, 1990). These methods are environmentally friendly and independent, however, power systems operating on these sources have limited use due to the low stability of the output power, except for working on solar energy, depending on local conditions, expensive equipment.
Наиболее близким по наличию существенных признаков техническим решением является способ переработки твердого топлива (см. описание изобретения патент RU №2099394, МПК: C 10 J 3/86, опубл. 1997.12.20). Способ включает сжигание органического топлива в окислителе, в качестве которого выступают кислород атмосферного воздуха и чистый кислород, отбор выделяющегося при горении тепла, и дальнейшую переработку продуктов реакции горения, а именно углекислого газа в химическое сырье. Энергохимическая переработка топлива позволяет более рационально использовать топливное сырье, получая кроме тепла еще химическую продукцию, способствует уменьшению вредных выбросов. Однако способ не решает проблему истощаемости сырьевых ресурсов, является дорогостоящим, при этом проблема загрязнения окружающей среды химическими и тепловыми отходами полностью не решена. Раскрытие изобретенияThe closest in the presence of essential features technical solution is a method of processing solid fuel (see patent description RU No. 2099394, IPC: C 10
Заявляемым изобретением решается задача разработки способа производства энергии, в основе которого лежит традиционное сжигание топлива, при этом минимизированы отходы производства, решена проблема загрязнения и разрушения окружающей среды, и в котором, кроме получения тепловой энергии, возможно получение полупроводникового кремния для производства солнечной энергии.The claimed invention solves the problem of developing a method of energy production, which is based on traditional fuel combustion, while minimizing production waste, solving the problem of environmental pollution and destruction, and in which, in addition to thermal energy, it is possible to obtain semiconductor silicon for the production of solar energy.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе производства энергии, включающем сжигание органического топлива в окислителе, отбор тепла, выделяющегося в результате горения, и переработку углекислого газа, согласно заявляемому изобретению в качестве окислителя для сжигания органического топлива используют элементный фтор, вводят в процесс неорганическое топливо в виде диоксида кремния или оксида редкого металла, относящегося к группе тугоплавких и образующего с фтором летучее соединение, и сжигают его, используя в качестве окислителя тетрафторид углерода, образующийся в результате горения органического топлива, полученную газовую смесь разделяют с выделением углекислого газа и, соответственно, фторида кремния при использовании диоксида кремния или фторида редкого металла при использовании оксида редкого металла, из фторида восстанавливают, соответственно, кремний или редкий металл, получая одновременно элементный фтор, а углекислый газ перерабатывают до полного восстановления углерода, сжигая его в части элементного фтора, полученного при упомянутом восстановлении, разделяя образовавшуюся газовую смесь с выделением теграфторида углерода и сжигая в последнем часть восстановленного, соответственно, кремния или редкого металла, полученный чистый углерод, как и элементный фтор, возвращают на начальную операцию сжигания органического топлива, а образовавшийся при переработке углекислого газа фторид, соответственно, кремния или редкого металла направляют на операцию упомянутого восстановления, соответственно, кремния или редкого металла.The problem is solved due to the fact that in the method of energy production, including the burning of fossil fuels in an oxidizing agent, the selection of heat generated by combustion, and the processing of carbon dioxide, according to the claimed invention, elemental fluorine is used as an oxidizing agent for burning fossil fuels, is introduced into the process inorganic fuel in the form of silicon dioxide or rare metal oxide, belonging to the group of refractory and forming a volatile compound with fluorine, and burn it using as carbon tetrafluoride resulting from the combustion of fossil fuels, the resulting gas mixture is separated with the release of carbon dioxide and, accordingly, silicon fluoride when using silicon dioxide or rare metal fluoride when using rare metal oxide, respectively, silicon or rare metal is reduced from fluoride, receiving elemental fluorine at the same time, and carbon dioxide is processed until carbon is completely reduced, burning it in part of the elemental fluorine obtained with the above formation, separating the resulting gas mixture with the release of carbon tegrafluoride and burning in the last part of the reduced, respectively, silicon or rare metal, the resulting pure carbon, like elemental fluorine, is returned to the initial operation of burning organic fuel, and the fluoride formed during the processing of carbon dioxide, respectively , silicon or rare metal is directed to the operation of said reduction, respectively, of silicon or rare metal.
Вышеприведенная совокупность существенных признаков и последовательность их осуществления позволяет получить новый технический результат, а именно круговорот органического топлива - углерода и его окислителя - элементного фтора.The above set of essential features and the sequence of their implementation allows to obtain a new technical result, namely the cycle of fossil fuels - carbon and its oxidizing agent - elemental fluorine.
В отличие от прототипа и других известных способов производства энергии в настоящем решении в качестве окислителя органического топлива использован элементный фтор. Другим отличительным от прототипа признаком является введение в процесс неорганического топлива для его сжигания в тетрафториде углерода, полученном в результате горения органического топлива, и получения промежуточных соединений, из которых можно воспроизвести элементный фтор и углерод.In contrast to the prototype and other known methods of energy production, in the present solution, elemental fluorine was used as an oxidizer of organic fuel. Another distinctive feature of the prototype is the introduction of inorganic fuel into the process for burning it in carbon tetrafluoride obtained by burning organic fuel, and to obtain intermediate compounds from which elemental fluorine and carbon can be reproduced.
Возможность введения неорганического топлива обусловлена тем, что фтор является самым сильным из простых веществ окислителем и образует при горении промежуточные вещества, которые сами являются сильными окислителями, например тетрафторид углерода. Однако фтор является очень дорогим окислителем, если его не воспроизводить для повторного расходования, и потому практически не используемым.The possibility of introducing inorganic fuels is due to the fact that fluorine is the strongest oxidizing agent of simple substances and forms intermediate substances during combustion, which themselves are strong oxidizing agents, for example, carbon tetrafluoride. However, fluorine is a very expensive oxidizing agent, if it is not reproduced for reuse, and therefore practically not used.
В качестве неорганического топлива в заявляемом решении предложено использование диоксида кремния или оксида редкого тугоплавкого металла, образующего с фтором, как и диоксид кремния, летучее соединение, что является необходимым условием. В классическом понимании под термином «топливо» подразумевалось углеродсодержащее топливо или органическое, однако в связи с развитием техники термин стал распространяться на все горючие вещества и материалы, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии, например ядерное топливо, металлическое топливо (см. Технический словарь, М.: Советская энциклопедия, 1976 г., стр.503-504). В основе ядерного и металлического топлива лежат неорганические соединения, что позволяет его именовать неорганическим. К неорганическому топливу относятся также кварцевый песок (SiO2) и оксиды редких тугоплавких металлов.As inorganic fuel, the claimed solution proposes the use of silicon dioxide or oxide of a rare refractory metal, which forms with the fluorine, like silicon dioxide, a volatile compound, which is a necessary condition. In the classical sense, the term “fuel” meant carbon-containing fuel or organic fuel, however, in connection with the development of technology, the term began to apply to all combustible substances and materials used to obtain thermal energy during their combustion, such as nuclear fuel, metal fuel (see. Technical Dictionary, Moscow: Soviet Encyclopedia, 1976, pp. 503-504). Nuclear and metallic fuels are based on inorganic compounds, which allows it to be called inorganic. Inorganic fuels also include silica sand (SiO 2 ) and rare refractory metal oxides.
В результате сжигания в тетрафториде углерода диоксида кремния образуется фторид кремния и углекислый газ. В результате сжигания в тетрафториде углерода оксида редкого тугоплавкого металла образуется фторид упомянутого металла и углекислый газ. Из фторида кремния, как и из фторида редкого металла, можно осуществить восстановление, соответственно, чистого кремния или редкого металла. Упомянутое восстановление может быть осуществлено любым известным из уровня техники способом, например, путем электролиза в расплаве фторидных солей. Фторид кремния и фториды редких тугоплавких металлов являются близкими по своим физико-химическим свойствам соединениями, поэтому процесс восстановления в обоих упомянутых случаях протекает аналогичным образом и сопровождается получением элементного фтора в чистом виде, позволяющем повторно использовать его в цикле производства энергии без какой-либо дополнительной очистки. Углекислый газ, получаемый в любом из упомянутых случаев выбора неорганического топлива, перерабатывается до получения чистого углерода, при этом процесс переработки осуществляется аналогичным образом и при использовании восстановленного кремния, и при использовании восстановленного редкого металла.The combustion of silicon dioxide in carbon tetrafluoride produces silicon fluoride and carbon dioxide. The combustion of rare refractory metal oxide in carbon tetrafluoride results in the formation of fluoride of said metal and carbon dioxide. From silicon fluoride, as well as from rare metal fluoride, it is possible to carry out the reduction, respectively, of pure silicon or rare metal. Said reduction may be carried out by any method known in the art, for example, by melt electrolysis of fluoride salts. Silicon fluoride and rare refractory metal fluorides are close in their physicochemical properties, therefore, the reduction process in both of these cases proceeds in a similar way and is accompanied by the production of elemental fluorine in its pure form, which allows it to be reused in the energy production cycle without any additional purification . The carbon dioxide produced in any of the above cases of inorganic fuel selection is processed to produce pure carbon, and the processing process is carried out in a similar way using reduced silicon and using reduced rare metal.
Таким образом, при использовании любого предложенного альтернативного варианта неорганического топлива, а именно: диоксида кремния или оксида редкого металла из ряда тугоплавких, в совокупности с другими существенными признаками изобретения достигается указанный технический результат, а именно осуществляется круговорот органического топлива (углерода) и фтора, что решает проблему дороговизны окислителя и позволяет экономить топливные ресурсы органического сырья. За счет круговорота органического топлива и его окислителя практически полностью исключается тепловое и химическое загрязнение окружающей среды, более того происходит обогащение атмосферы за счет кислорода, выделяющегося в процессе цикла.Thus, when using any proposed alternative variant of inorganic fuel, namely: silicon dioxide or rare metal oxide from a number of refractory materials, in combination with other essential features of the invention, the indicated technical result is achieved, namely, the cycle of organic fuel (carbon) and fluorine is carried out, which solves the problem of the high cost of the oxidizing agent and saves the fuel resources of organic raw materials. Due to the cycle of organic fuel and its oxidizing agent, thermal and chemical pollution of the environment is almost completely eliminated, moreover, the atmosphere is enriched due to oxygen released during the cycle.
КПД (коэффициент полезного действия) от операций горения органического и неорганического топлива в оборотном фторе и тетрафториде углерода без сброса в атмосферу продуктов горения приближается к единице, а количество выделяющегося тепла примерно в 7.45 раз больше, чем при сжигании органического топлива в атмосферном воздухе. Получаемая энергия с использованием круговорота органического топлива и его окислителя во много раз дешевле энергии, получаемой при сжигании органического топлива в атмосферном воздухе.Efficiency (efficiency) from burning organic and inorganic fuels in recycled fluorine and carbon tetrafluoride without discharge of combustion products into the atmosphere approaches unity, and the amount of heat generated is about 7.45 times greater than when burning fossil fuels in atmospheric air. The energy obtained using the cycle of fossil fuels and its oxidizing agent is many times cheaper than the energy obtained by burning fossil fuels in atmospheric air.
В известных источниках (см. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М.: Свердловск) имеются сведения о круговороте некоторых веществ и химических элементов. Академик В.И.Вернадский выделил группу так называемых циклических химических элементов, среди которых углерод, кислород, азот, и т.д. Однако в известном способе сжигания органического топлива в атмосферном воздухе осуществить круговорот органического топлива - углерода и его окислителя невозможно, т.к. окислитель - атмосферный воздух на 3/4 состоит из инертных газов (азот, аргон, углекислый газ и другие) и только на 1/4 из кислорода. Из образующихся при сжигании газов сложного состава практически и экономически невозможно извлечь ни кислород, ни углерод для осуществления их круговорота. В заявляемом же решении предложен и осуществлен круговорот углерода и его окислителя - фтора, что является новым неизвестным из уровня техники.In well-known sources (see Vernadsky VI, Essays on Geochemistry. M .: Sverdlovsk) there is information about the cycle of certain substances and chemical elements. Academician V.I.Vernadsky identified a group of so-called cyclic chemical elements, including carbon, oxygen, nitrogen, etc. However, in the known method of burning fossil fuels in atmospheric air, it is impossible to cycle the fossil fuels - carbon and its oxidizing agent, because oxidizer - the atmospheric air by 3/4 consists of inert gases (nitrogen, argon, carbon dioxide and others) and only 1/4 oxygen. It is practically and economically impossible to extract either oxygen or carbon from the gases of complex composition generated during the combustion of gases to carry out their cycle. In the claimed solution, the carbon cycle and its oxidizing agent, fluorine, were proposed and implemented, which is a new unknown from the prior art.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».The above allows us to conclude that the invention meets the criteria of "novelty" and "inventive step".
В заявляемом техническом решении предусмотрена возможность значительного увеличения количества производимой энергии за счет использования чистого полупроводникового кремния, полученного при восстановлении тетрафторида кремния, для изготовления солнечных батарей или ФЭП для получения солнечной энергии.The claimed technical solution provides for the possibility of a significant increase in the amount of energy produced through the use of pure semiconductor silicon obtained from the reduction of silicon tetrafluoride for the manufacture of solar cells or solar cells to produce solar energy.
В способе предусмотрена возможность увеличения количества производимой энергии путем введения в процесс дополнительного количества неорганического топлива, аналогичного указанному, т.е. в соответствии с выбором по п.1. формулы, и его сжигания с использованием в качестве окислителя части элементного фтора, полученного на операции восстановления. После разделения образовавшейся в результате горения газовой смеси, выделенный фторид соответственно упомянутому выбору неорганического топлива, кремния или редкого металла направляют на операцию упомянутого восстановления основного цикла производства для получения элементного фтора, а кислород используют для обогащения воздуха.The method provides for the possibility of increasing the amount of energy produced by introducing into the process an additional amount of inorganic fuel similar to that indicated, i.e. in accordance with the choice of
Отбор выделяющегося тепла осуществляют на всех операциях сжигания, например, посредством теплообменников. При этом непременным условием является исключение сброс газов в атмосферу. Это исключает не только химическое загрязнение атмосферы, но и тепловые потери производства, и тепловое загрязнение окружающей среды.The selection of heat generated is carried out in all combustion operations, for example, by means of heat exchangers. In this case, a prerequisite is the exclusion of gas emissions into the atmosphere. This excludes not only chemical pollution of the atmosphere, but also thermal losses of production, and thermal pollution of the environment.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг.1 - показана принципиальная технологическая схема топливного цикла с круговоротом органического топлива и окислителя;Figure 1 - shows a schematic flow diagram of a fuel cycle with a cycle of organic fuel and an oxidizing agent;
На фиг.2 - упрощенная принципиальная технологическая схема топливного цикла с круговоротом органического топлива и окислителя, включающего дополнительное введение неорганического топлива;Figure 2 is a simplified schematic flow diagram of a fuel cycle with a cycle of organic fuel and an oxidizing agent, including the additional introduction of inorganic fuel;
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Технологический процесс производства энергии с использованием круговорота органического топлива и элементного фтора может быть осуществлен на оборудовании предприятий ядерного топливного цикла. Оборудование, выполненное из углеродистой и нержавеющей сталей, имеет в безводных фторсодержащих средах высокую коррозионную стойкость, что позволяет его эксплуатировать без капремонта не менее 15 лет. Кроме того, на предприятиях при работе с элементным фтором и фторидными соединениями отработано строгое обеспечение санитарных норм.The technological process of energy production using the cycle of fossil fuels and elemental fluorine can be carried out on the equipment of the nuclear fuel cycle enterprises. The equipment made of carbon and stainless steels has a high corrosion resistance in anhydrous fluorine-containing media, which allows it to be used without major repairs for at least 15 years. In addition, in enterprises working with elemental fluoride and fluoride compounds, strict sanitary standards have been developed.
Пример 1. Принципиальная технологическая схема осуществления способа производства энергии приведена на фиг.1 и включает следующий ряд операций:Example 1. The basic technological scheme of the method of energy production is shown in figure 1 and includes the following series of operations:
1 - сжигание органического топлива в элементном фторе;1 - combustion of fossil fuels in elemental fluorine;
2 - отбор тепла;2 - heat removal;
3 - сжигание неорганического топлива в тетрафториде углерода;3 - combustion of inorganic fuel in carbon tetrafluoride;
4 - отбор тепла;4 - heat removal;
5 - выделение нелетучего остатка примесей5 - allocation of non-volatile residue of impurities
6 - разделение газов;6 - gas separation;
7 - восстановление чистого кремния с одновременным получением элементного фтора;7 - recovery of pure silicon while obtaining elemental fluorine;
8 - использование кремния для получения солнечной энергии;8 - the use of silicon to produce solar energy;
9 - сжигание углекислого газа в элементном фторе;9 - carbon dioxide combustion in elemental fluorine;
10 - отбор тепла;10 - heat removal;
11 - разделение газов;11 - gas separation;
12 - сжигание порошка кремния в тетрафториде углерода;12 - burning of silicon powder in carbon tetrafluoride;
13 - отбор тепла;13 - heat removal;
Операцию 1 сжигания углерода осуществляют в химическом реакторе при избытке элементного фтора. Органическое твердое топливо, например уголь, предварительно размолотый, подают в форсунку реактора. Элементный фтор, являющийся самым сильным из простых веществ окислителей, также подают в реактор специальной фтородувкой. Газовзвесь вспыхивает без какого-либо подогрева и сгорает в факеле по реакции:
Реакция горения (1) является экзотермической. Газовую смесь, полученную в результате реакции и имеющую большую температуру, подают в теплообменник для съема и отвода тепла Q1 (операция 2).The combustion reaction (1) is exothermic. The gas mixture obtained by the reaction and having a high temperature is fed to a heat exchanger for removing and removing heat Q 1 (operation 2).
После теплообменника газовую фазу не сбрасывают в атмосферу, а направляют на сжигание в газовзвеси (операция 3) неорганического топлива, в качестве которого используют кварцевый песок (диоксид кремния). Процесс фторирования осуществляют при высоких температурах - 500-800°С. При таких температурах сравнительно быстро устанавливается равновесие протекающих реакций, происходит саморазогрев и сгорание частиц (твердой фазы) в токе фтора с большим тепловыделением. Сжигают диоксид кремния в тетрафториде углерода по реакции:After the heat exchanger, the gas phase is not discharged into the atmosphere, but is sent to inorganic fuel for burning in gas suspension (operation 3), for which quartz sand (silicon dioxide) is used. The fluorination process is carried out at high temperatures - 500-800 ° C. At such temperatures, the equilibrium of the proceeding reactions is relatively quickly established, self-heating and combustion of particles (solid phase) occur in a fluorine stream with high heat release. Silicon dioxide is burned in carbon tetrafluoride by the reaction:
Так как, сжигая органическое топливо по реакции (1), фтор подавали с избытком, то получаемая по реакции (2) газовая смесь, включающая углекислый газ и тетрафторид кремния, может содержать и кислород, образующийся в результате первоначального избытка фтора. В случае других пропорций исходных реагентов кислород может отсутствовать.Since, by burning organic fuel according to reaction (1), fluorine was supplied in excess, the gas mixture obtained by reaction (2), including carbon dioxide and silicon tetrafluoride, may also contain oxygen resulting from the initial excess of fluorine. In the case of other proportions of the starting reagents, oxygen may be absent.
Выделившиеся газы направляют в теплообменник (операция 4) для снятия тепла.The released gases are sent to a heat exchanger (step 4) to remove heat.
Нелетучий остаток примесей операции горения кварцевого песка, включающий фторидные соединения алюминия, кальция и железа (CaF2, AlF3, FeF3), выделяют (операция 5) и используют в качестве фторидных флюсов, не содержащих фосфора и серы, в цветной или черной металлургии.The non-volatile residue of the impurities of the operation of burning quartz sand, including fluoride compounds of aluminum, calcium and iron (CaF 2 , AlF 3 , FeF 3 ), is isolated (step 5) and used as fluoride fluxes that do not contain phosphorus and sulfur in non-ferrous or ferrous metallurgy .
Смесь газов после теплосъема компремируют до 30-40 атм и разделяют (операция 6) на индивидуальные компоненты в конденсаторе при t=-30-40°С.The gas mixture after heat removal is compressed to 30-40 atm and separated (step 6) into individual components in the condenser at t = -30-40 ° C.
Выделенный жидкий тетрафторид кремния испаряют при комнатной температуре и направляют на операцию 7 восстановления, например, электролитическим способом (см. Карелин В.А., Карелин А.И., Казимиров В.А. Способ получения высокочистого порошка кремния из тетрафторида кремния с одновременным получением элементного фтора, способ отделения кремния от расплава солей, полученные вышеуказанным способом порошок кремния и элементный фтор и способ получения тетрафторида кремния./ Заявка на изобретение от 12.08.2004 г.) по реакции (4) или плазмохимическим способом по реакции (5).The isolated liquid silicon tetrafluoride is evaporated at room temperature and sent to
Продуктами реакции восстановления являются чистый полупроводниковый кремний и элементный фтор. Полученный элементный фтор направляют на операцию (1) цикла производства энергии, а некоторую часть используют для сжигания углекислого газа (операция 9, реакция (6)). Восстановленный кремний частично возвращают в технологический процесс и используют для восстановления углерода, а основную массу направляют (операция 8) для изготовления солнечных элементов (ФЭП) или применяют в виде тонких слоев аморфного кремния - в производстве солнечных батарей и модулей.The products of the reduction reaction are pure semiconductor silicon and elemental fluorine. The obtained elemental fluorine is sent to operation (1) of the energy production cycle, and some is used to burn carbon dioxide (operation 9, reaction (6)). The reduced silicon is partially returned to the technological process and used for carbon recovery, and the bulk is sent (step 8) for the manufacture of solar cells (PECs) or used in the form of thin layers of amorphous silicon - in the production of solar cells and modules.
Углекислый газ из конденсатора направляют в реактор (операция 9) для сжигания в факеле при смешении с элементным фтором по реакции:Carbon dioxide from the condenser is sent to the reactor (step 9) for flaring during mixing with elemental fluorine by the reaction:
Газовую смесь (CF4+O2) после отбора тепла (операция 10) в теплообменнике направляют на операцию 11, где смесь компремируют и разделяют согласно реакции:The gas mixture (CF 4 + O 2 ) after heat extraction (operation 10) in the heat exchanger is sent to operation 11, where the mixture is compressed and separated according to the reaction:
Выделенный кислород используют для обогащения воздуха. Выделенный тетрафторид углерода восстанавливают (операция 12) до чистого углерода, сжигая в нем часть порошка восстановленного кремния по реакции:The extracted oxygen is used to enrich the air. The isolated carbon tetrafluoride is reduced (step 12) to pure carbon, burning part of the reduced silicon powder in it by the reaction:
Чистый углерод направляют на начальную операцию 1 сжигания органического топлива в реакторе, а тетрафторид кремния, после отбора тепловой энергии (операция 13) в теплообменнике, направляют на операцию 7 восстановления кремния. Возможно использование части тетрафторида углерода помимо его восстановления до углерода для сжигания неорганического топлива (SiO2) (операция 3).Pure carbon is sent to the
Полученная в результате цикла суммарная тепловая энергия значительно больше энергии, затраченной на операциях разделения и восстановления:The resulting thermal energy resulting from the cycle is much more than the energy spent on the separation and recovery operations:
Qтопливного цикла=Q1+Q2+Q5+Q7≫Q3+Q4+Q6 Q fuel cycle = Q 1 + Q 2 + Q 5 + Q 7 ≫ Q 3 + Q 4 + Q 6
Целевое использование восстановленного кремния позволяет во много раз увеличить количество производимой энергии, а именно за счет солнечной энергии, аккумулированной солнечными батареями, изготовленными из полученного в результате описанного топливного цикла кремния. Так рассчитано, что при сжигании 1.6 тонн оксида кремния в час обеспечивается производство 18760 кДж/час тепловой энергии и производство полупроводникового кремния - до 2400 тонн/год, что позволит создать электрический солнечный модуль мощностью 1000 МВт.The intended use of reduced silicon allows many times to increase the amount of energy produced, namely due to solar energy accumulated by solar panels made from silicon obtained as a result of the described fuel cycle. It is calculated that the combustion of 1.6 tons of silicon oxide per hour ensures the production of 18760 kJ / hour of thermal energy and the production of semiconductor silicon - up to 2400 tons / year, which will create an electric solar module with a capacity of 1000 MW.
Пример 2. Схема осуществления топливного цикла (см. фиг.2) аналогична описанному циклу в примере 1, и отличается включенной дополнительно в процесс технологической цепочкой, осуществляемой параллельно основному циклу производства энергии, т.е. сжиганию углерода во фторе и последующему сжиганию неорганического топлива в продукте горения углерода - тетрафториде углерода по реакциям (1) и (2), и включающей операции: 14 - сжигание диоксида кремния в элементном фторе; 15 - отбор тепла; 16 - разделение газов. Сжигание диоксида кремния в элементном фторе (операция 14) осуществляют в химическом реакторе согласно реакции:Example 2. The implementation scheme of the fuel cycle (see figure 2) is similar to the described cycle in example 1, and differs in the process chain included in the process, carried out in parallel with the main cycle of energy production, i.e. burning carbon in fluorine and subsequent burning of inorganic fuel in the carbon combustion product — carbon tetrafluoride according to reactions (1) and (2), and including operations: 14 — burning of silicon dioxide in elemental fluorine; 15 - heat removal; 16 - gas separation. The combustion of silicon dioxide in elemental fluorine (step 14) is carried out in a chemical reactor according to the reaction:
Процесс фторирования диоксида кремния элементным фтором протекает с большим выделением тепла, которое отбирают в теплообменнике, пропуская через него полученную газовую смесь из тетрафторида кремния и кислорода (операция 15). Это позволяет увеличить суммарную тепловую энергию, получаемую в цикле производства.The process of fluorination of silicon dioxide with elemental fluorine proceeds with a large heat release, which is taken in the heat exchanger, passing through it the obtained gas mixture from silicon tetrafluoride and oxygen (operation 15). This allows you to increase the total thermal energy received in the production cycle.
Далее смесь газов компремируют и разделяют (операция 16), согласно реакции:Next, the gas mixture is compressed and separated (operation 16), according to the reaction:
Выделенный тетрафторид кремния направляют на операцию 7 восстановления основного цикла, а кислород используют, например, для обогащения воздуха.The isolated silicon tetrafluoride is sent to step 7 of the recovery of the main cycle, and oxygen is used, for example, to enrich the air.
Пример 3. Заявляемый способ производства энергии осуществляли, используя в качестве неорганического топлива оксид редкого тугоплавкого металла - титана. Технологическая схема осуществления способа в этом случае может быть аналогична любой из приведенных на фиг.1 или на фиг.2. Осуществляемые операции аналогичны примерам 1 и 2, поэтому в тексте используются ссылки на номера операций с фиг.1 и 2.Example 3. The inventive method of energy production was carried out using oxide of rare refractory metal titanium as inorganic fuel. The technological scheme of the method in this case may be similar to any of those shown in figure 1 or figure 2. The operations are similar to examples 1 and 2, therefore, the text uses references to the numbers of operations with figures 1 and 2.
Природный рутиловый концентрат, включающий диоксид титана (TiO2), сжигают в полученном в результате операций 1 и 2 тетрафториде углерода по реакции:Natural rutile concentrate, including titanium dioxide (TiO 2 ), is burned in the carbon tetrafluoride obtained as a result of
Макропримеси, содержащиеся в исходном рутиловом концентрате (≈5 мас.%), также фторируются, при этом происходят следующие реакции:Macroimpurities contained in the initial rutile concentrate (≈5 wt.%) Are also fluorinated, and the following reactions occur:
Фториды алюминия, кальция и железа (CaF2, AlF3, FeF3) выделяют в виде фторидного огарка и выводят из технологического цикла. Фторид редкого металла TiF4 отделяют от углекислого газа методом конденсации согласно реакции (15), испаряют и направляют на электролитическое восстановление (аналогично операции 7) в расплаве фторидных солей щелочных металлов по реакции (16).Fluorides of aluminum, calcium and iron (CaF 2 , AlF 3 , FeF 3 ) are isolated in the form of fluoride cinder and removed from the technological cycle. Rare metal fluoride TiF 4 is separated from carbon dioxide by condensation according to reaction (15), evaporated and sent to electrolytic reduction (similar to step 7) in a molten alkali metal fluoride salt by reaction (16).
В результате восстановления получают порошок титана высокой степени чистоты. Выделившийся на аноде элементный фтор направляют на операцию 1 сжигания органического топлива, на операцию 14 - сжигания дополнительно введенного в процесс неорганического топлива в виде оксида титана и частично на операцию 9 сжигания углекислого газа. Углекислый газ, образованный в результате реакций (11)-(14), перерабатывают до полного восстановления углерода аналогично примерам 1 и 2 (см. операции 9-13, фиг.1, 2), используя на операции 12 часть восстановленного чистого титана:As a result of the recovery, high purity titanium powder is obtained. Elemental fluorine released at the anode is sent to
Полученный в результате газообразный фторид титана (TiF4) направляют на операцию восстановления согласно реакции (16) до чистых титана и фтора.The resulting gaseous titanium fluoride (TiF 4 ) is sent to the reduction operation according to reaction (16) to pure titanium and fluorine.
Таким образом, последовательность операций и их характер при использовании в качестве неорганического топлива оксида редкого металла (например, титана, как показано в примере 3), аналогичны операциям, осуществляемым при использовании в качестве неорганического топлива диоксида кремния. Во всех приведенных примерах осуществляется круговорот фтора и углерода.Thus, the sequence of operations and their nature when using rare metal oxide as an inorganic fuel (for example, titanium, as shown in Example 3) are similar to those carried out when using silicon dioxide as an inorganic fuel. In all of the examples, the fluorine and carbon cycles are carried out.
Использование в качестве основного реагента рециркулирующего элементного фтора приводит к практически полному исключению образования и сброса в окружающую среду технологических отходов. Большое тепловыделение и высокая скорость фторирования оксидов металлов или кремния, полное использование фторирующего реагента, высокая коррозионная стойкость оборудования, отсутствие газообразных и жидких выбросов обуславливают экологическую чистоту процесса, высокую производительность, и как следствие, высокую рентабельность производства.The use of recycled elemental fluorine as the main reagent leads to an almost complete elimination of the formation and dumping of technological waste into the environment. High heat dissipation and high fluorination rate of metal or silicon oxides, full use of fluorinating reagent, high corrosion resistance of equipment, the absence of gaseous and liquid emissions determine the environmental cleanliness of the process, high productivity, and as a result, high profitability of production.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005106169/06A RU2291349C2 (en) | 2005-03-04 | 2005-03-04 | Method of power generation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005106169/06A RU2291349C2 (en) | 2005-03-04 | 2005-03-04 | Method of power generation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005106169A RU2005106169A (en) | 2006-08-20 |
| RU2291349C2 true RU2291349C2 (en) | 2007-01-10 |
Family
ID=37060162
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005106169/06A RU2291349C2 (en) | 2005-03-04 | 2005-03-04 | Method of power generation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2291349C2 (en) |
-
2005
- 2005-03-04 RU RU2005106169/06A patent/RU2291349C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005106169A (en) | 2006-08-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101775608B1 (en) | Generating steam from carbonaceous material | |
| Byun et al. | Thermal plasma gasification of municipal solid waste (MSW) | |
| CN105214457B (en) | A kind of fume desulfuring and denitrifying Processes and apparatus | |
| EP2838640B1 (en) | A method and an apparatus for performing an energy efficient simultaneous desulphurization and decarbonisation of a flue gas by reduction with an electropositive metal | |
| JPH09159132A (en) | Heat recovery system and power generation system | |
| EP1857640A2 (en) | New cascaded power plant process and method for the provision of reversibly usable hydrogen carriers in such a power plant process | |
| US8529856B2 (en) | Method and apparatus to sequester CO2 gas | |
| US4019896A (en) | Trash disposal system | |
| TW201520165A (en) | Method, apparatus and system for forming sulfuric acid | |
| WO2008074659A2 (en) | Novel cascaded power station process and method for producing reversibly usable hydrogen carriers in a corresponding power station process | |
| JP2013120136A (en) | Method for treating radioactive cesium containing inorganic material | |
| CN105836706A (en) | Method for preparing hydrogen gas by hot aluminum slag/vapor combined reaction | |
| CN113915619A (en) | Waste fan blade treatment device for rotary kiln and plasma melting furnace | |
| US20190210872A1 (en) | A method and system for carbon capture and recycling | |
| CN110016565A (en) | The method for producing AL-Si-Fe alloy as raw material coreless armature feeding using waste refractory materials | |
| CN115803125A (en) | Plasma method for converting Spent Pot Liners (SPLs) to inert slag, aluminum fluoride and energy | |
| RU2291349C2 (en) | Method of power generation | |
| CN110452724B (en) | Clean coking process and system | |
| JP2013134085A (en) | Processing method for ash containing oxide of radioactive cesium | |
| RU2272785C1 (en) | Method of preparing high-purity silicon powder from silicon perfluoride with simultaneous preparation of elementary fluorine, method of separating silicon from salt melt, silicon powder and elementary fluorine obtained by indicated method, and silicon tetrafluoride preparation process | |
| RU2324648C2 (en) | Method of silicium tetrafluoride production, method of separation of silicium tetrafluoride from oxygen and high-volatile fluoride impurities, method of production of slicium powder from silicium tetrafluoride | |
| JP2005213631A (en) | Production method and production apparatus for hydrogen and oxygen from biomass resource | |
| CN110029227A (en) | The method for producing ferro-silicon-aluminium as raw material plasma jet feeding using waste refractory materials | |
| RU2699339C2 (en) | Integrated energy-saving process of production of metals or alloys | |
| JP5950001B2 (en) | Incineration equipment for waste containing combustible materials containing radioactive cesium |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160305 |