RU2323351C2 - Method of conversing energy emanating during exothermic process, into mechanical work - Google Patents

Method of conversing energy emanating during exothermic process, into mechanical work Download PDF

Info

Publication number
RU2323351C2
RU2323351C2 RU2005140383/06A RU2005140383A RU2323351C2 RU 2323351 C2 RU2323351 C2 RU 2323351C2 RU 2005140383/06 A RU2005140383/06 A RU 2005140383/06A RU 2005140383 A RU2005140383 A RU 2005140383A RU 2323351 C2 RU2323351 C2 RU 2323351C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
reactor
engine
hydrogen
feedstock
energy
Prior art date
Application number
RU2005140383/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2005140383A (en
Inventor
Геннадий Павлович Барчан (RU)
Геннадий Павлович Барчан
Original Assignee
Геннадий Павлович Барчан
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 Геннадий Павлович Барчан filed Critical Геннадий Павлович Барчан
Priority to RU2005140383/06A priority Critical patent/RU2323351C2/en
Publication of RU2005140383A publication Critical patent/RU2005140383A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2323351C2 publication Critical patent/RU2323351C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: power engineering.
SUBSTANCE: according to method of conversing energy, emanating during process of thermo-chemical reaction, into mechanical work, initial raw material is supplied into first reactor. Components of raw materials interact during exothermic process which results to formation of hydrogen and carbon oxide. Both compositions are supplied into reactor-methanator where working body, namely methane-vapor mixture, is formed due to catalyst reaction. When mixture expands in engine, mechanical work is done. Worked-out working body is sent to re-generation and subsequent supply to first reactor. Initial raw material in first reactor is subject to auto-thermal or thermal gasification to separate hydrogen and carbon oxide, supplied to reactor-methanator from accompanying products. Catalyst reaction between hydrogen and carbon oxide is carried out at temperature of 600K-1400K and pressure of 0,6-20,0 MPa.
EFFECT: improved efficiency of energy conversion process.
8 cl, 7 dwg, 3 ex

Description

Изобретение относится к энергетике, а конкретно к преобразованию энергии, выделяющейся в экзотермическом процессе при переработке углеродсодержащего сырья, включая газы, промышленные и бытовые отходы, с целью получения товарной энергии и/или товарной химической продукции в промышленных масштабах, используя экзотермические циклические процессы, посредством газификации твердого или жидкого сырья, или конверсии (риформинга) газообразного углеводородного сырья, с последующей повторной газификацией или конверсией нецелевых продуктов и регенерации полученных соединений, для их повторного использования в циклическом процессе.The invention relates to energy, and specifically to the conversion of energy released in an exothermic process during the processing of carbon-containing raw materials, including gases, industrial and household waste, with the aim of obtaining commercial energy and / or commercial chemical products on an industrial scale using exothermic cyclic processes by gasification solid or liquid feedstocks, or conversion (reforming) of gaseous hydrocarbon feedstocks, followed by re-gasification or conversion of non-target products and regeneration of the obtained compounds, for their reuse in a cyclic process.

Циклические процессы хорошо известны в природе. К ним можно отнести, например, круговорот воды, орнитиновый цикл позвоночных и беспозвоночных животных [1, т.3, С.280-281], промышленное производство мочевины, нитрозный метод производства серной кислоты, для бытового и промышленного теплоснабжения [1, т.1, С 785, т.4, С 647]. Вместе с тем энергия, получаемая в циклических процессах, как это следует из известного уровня техники, не использовалась ранее для осуществления работы тепловых двигателей, несмотря на то, что ее использование существенно повысило бы кпд процессов в целом.Cyclic processes are well known in nature. These include, for example, the water cycle, the ornithine cycle of vertebrate and invertebrate animals [1, t.3, P.280-281], the industrial production of urea, the nitrous method for the production of sulfuric acid, for domestic and industrial heat supply [1, t. 1, C 785, v. 4, C 647]. At the same time, the energy obtained in cyclic processes, as follows from the prior art, was not previously used to carry out the operation of heat engines, despite the fact that its use would significantly increase the efficiency of the processes as a whole.

Наиболее известным и наиболее распространенным способом получения механической энергии, путем переработки углеродсодержащего сырья, является его сжигание. Горение - нециклический химический процесс, при котором превращение вещества сопровождается интенсивным выделением энергии и тепло-массообменом с окружающей средой. При этом преобразование химической энергии в механическую происходит в тепловом двигателе.The most famous and most common way of obtaining mechanical energy by processing carbon-containing raw materials is to burn them. Combustion is a non-cyclic chemical process in which the transformation of a substance is accompanied by intense energy and heat and mass transfer with the environment. In this case, the conversion of chemical energy into mechanical energy occurs in a heat engine.

Существующие в настоящее время тепловые двигатели делятся на три основных типа:Existing heat engines are divided into three main types:

- паровые (М.И.Ползунов, 1763 г., Дж.Уатт, 1774-84 гг.) - горение происходит вне двигателя. Химическая энергия горения передается воде в котлоагрегате, вода превращается в водяной пар (рабочее тело), который поступает в двигатель, расширяется и производит механическую работу;- steam (M.I.Polzunov, 1763, J. Watt, 1774-84) - combustion occurs outside the engine. The chemical energy of combustion is transferred to the water in the boiler unit, the water turns into water vapor (working fluid), which enters the engine, expands and performs mechanical work;

- двигатели Стирлинга (Р.Стирлинг, 1816-40 гг.) - или двигатели внешнего сгорания. Рабочее тело (водород или гелий) постоянно находятся в замкнутом пространстве и изменяет свой объем при нагревании одной из стенок. Нагревание осуществляется за счет внешнего горения топлива, а охлаждение - за счет расширения рабочего тела;- Stirling engines (R. Stirling, 1816-40) - or external combustion engines. The working fluid (hydrogen or helium) is constantly in a confined space and changes its volume when one of the walls is heated. Heating is due to external combustion of the fuel, and cooling is due to the expansion of the working fluid;

- двигатели внутреннего сгорания (Э.Ленуар, 1860 г.) - топливо сгорает внутри двигателя. Рабочее тело - смесь продуктов горения (диоксид углерода, водяной пар, азот и др.), имеющих высокую температуру и давление. Рабочее тело расширяется и производит механическую работу.- internal combustion engines (E. Lenoir, 1860) - fuel burns inside the engine. The working fluid is a mixture of combustion products (carbon dioxide, water vapor, nitrogen, etc.) having a high temperature and pressure. The working fluid expands and produces mechanical work.

Во всех трех случаях продукты горения выбрасываются в окружающую среду, нанося серьезный ущерб ее экологии.In all three cases, combustion products are released into the environment, causing serious damage to its ecology.

Известные современные методы получения тепловой энергии основаны или на непосредственном сжигании твердых, жидких или газообразных углеродных веществ, или на сжигании газов, полученных в результате газификации твердых и жидких углеводородных топлив, включая отходы [2-4], или на сжигании водорода.Known modern methods for producing thermal energy are based either on the direct combustion of solid, liquid or gaseous carbon substances, or on the combustion of gases resulting from the gasification of solid and liquid hydrocarbon fuels, including waste [2-4], or on the combustion of hydrogen.

Недостатки этих методов, при всем их многообразии, имеют общий характер и заключаются в следующем:The disadvantages of these methods, for all their diversity, are of a general nature and are as follows:

- невозможность переработки отходов с содержанием в них воды более 70%;- the impossibility of processing waste with a water content of more than 70%;

- теоретический кпд процессов лучших теплосиловых установок не превышает 75%, а эффективный - 55%;- theoretical efficiency of the processes of the best heat power plants does not exceed 75%, and effective - 55%;

- продукты сгорания, выбрасываемые в атмосферу, усугубляют напряженную экологическую обстановку в окружающей среде и создают проблемы для существования самой жизни на Земле;- combustion products emitted into the atmosphere exacerbate the tense ecological situation in the environment and create problems for the existence of life itself on Earth;

- природные, невозобновляемые топливно-энергетические ресурсы используются малоэффективно;- natural, non-renewable fuel and energy resources are used inefficiently;

- биомасса растений и продуктов жизнедеятельности человека и животных используются для получения энергии эпизодически и малоэффективно.- biomass of plants and waste products of humans and animals are used to generate energy occasionally and ineffectively.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании, является способ преобразования химической энергии, полученной в циклическом термохимическом процессе, в механическую энергию, согласно которому смесь водорода и оксида углерода в молярном соотношении 3:1 подается из емкости в реактор-метанатор, в котором в ходе каталитической реакции образуется смесь метана и водяного пара (рабочее тело) и подается в двигатель, в результате расширения смеси вырабатывается механическая энергия. Отработавшая метанопаровая смесь направляется в систему охлаждения газоохлаждаемого высокотемпературного атомного реактора, где превращается в исходный водород и оксид углерода, цикл замыкается (PCT/NO 2003/000133).The closest to the claimed invention in technical essence and the achieved result when used, is a method of converting chemical energy obtained in a cyclic thermochemical process into mechanical energy, according to which a mixture of hydrogen and carbon monoxide in a molar ratio of 3: 1 is supplied from the tank to the methanator reactor in which during the catalytic reaction a mixture of methane and water vapor (working fluid) is formed and fed to the engine, as a result of expansion of the mixture, mechanical energy is generated and I. The spent methane-vapor mixture is sent to the cooling system of a gas-cooled high-temperature nuclear reactor, where it is converted to the original hydrogen and carbon monoxide, the cycle closes (PCT / NO 2003/000133).

Данный способ позволяет значительно, по сравнению с известными, повысить кпд процесса преобразования энергии, однако и он обладает следующими недостатками:This method allows significantly, in comparison with the known, to increase the efficiency of the energy conversion process, however, it also has the following disadvantages:

- газоохлаждаемый высокотемпературный атомный реактор еще не создан;- gas-cooled high-temperature nuclear reactor has not yet been created;

для обеспечения цикличности процесса необходим независимый, высокотемпературный источник тепловой энергии, обеспечивающий протекание эндотермического процесса паровой конверсии метана;To ensure the cyclical nature of the process, an independent, high-temperature source of thermal energy is required, which ensures the occurrence of the endothermic process of steam methane conversion;

- способ может быть реализован только в стационарных условиях, и в непосредственной близости от высокотемпературного источника энергии;- the method can be implemented only in stationary conditions, and in close proximity to a high-temperature energy source;

- способ не позволяет использовать другие виды углеродсодержащего сырья;- the method does not allow the use of other types of carbon-containing raw materials;

- способ не позволяет создавать автономные и транспортные двигатели.- the method does not allow you to create autonomous and transport engines.

Задача, положенная в основу заявляемого изобретения, заключается в создании способа преобразования энергии, выделяющейся в экзотермическом процессе при переработке углеродсодержащего сырья, включая газы, промышленные и бытовые отходы, в механическую работу, свободного от отмеченных выше недостатков, присущих упомянутым техническим решениям, представляющим известный уровень техники.The task underlying the claimed invention is to create a method for converting the energy released in the exothermic process during the processing of carbon-containing raw materials, including gases, industrial and household waste, into mechanical work, free from the above-mentioned disadvantages inherent in the aforementioned technical solutions representing a known level technicians.

Технический результат, достигаемый в процессе реализации предложенного способа, заключается в существенном повышении кпд процесса преобразования, при этом для переработки может быть использовано любое без исключения содержащее углерод сырье, или сырье с добавкой углерода или углеводорода, переработка которого экономически целесообразна, а весь процесс преобразования осуществляется без выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду.The technical result achieved during the implementation of the proposed method is to significantly increase the efficiency of the conversion process, while any raw material containing carbon, or raw materials with the addition of carbon or hydrocarbon, the processing of which is economically feasible, and the entire conversion process can be used for processing without emissions of pollutants into the environment.

Задача, положенная в основу заявляемого изобретения, с достижением указанного выше технического результата, решается тем, что в известном способе преобразования энергии, выделяющейся в экзотермическом процессе, в механическую работу, включающем подачу исходного сырья в первый реактор, взаимодействие компонентов сырья в экзотермическом процессе, в результате которого образуется смесь газов - рабочее тело, в процессе расширения которого в двигателе производится механическая работа, при этом часть отработанного рабочего тела направляется на регенерацию и последующую подачу в первый реактор, в соответствии с изобретением, в качестве исходного сырья, подаваемого в первый реактор, используется любое природное или синтетическое углеродсодержащее сырье, которое подвергается в первом реакторе автотермической или термической газификации, или конверсии газообразного сырья с образованием водорода и оксида углерода, которые отделяются от сопутствующих продуктов и подаются в реактор-метанатор, в котором в процессе каталитической реакции образуется метанопаровая смесь - рабочее тело, подаваемая в двигатель, преобразующий энергию химического процесса в механическую энергию, а отработанная в двигателе метанопаровая смесь возвращается в первый реактор, если в качестве сырья используется газ, или в дополнительный реактор, если используется твердое или жидкое сырье, в котором метанопаровая смесь вновь превращается в водород и оксид углерода и подается в реактор-метанатор;The task underlying the claimed invention, with the achievement of the above technical result, is solved by the fact that in the known method of converting the energy released in the exothermic process into mechanical work, including supplying raw materials to the first reactor, the interaction of the components of the raw materials in the exothermic process, The result of which is a mixture of gases - a working fluid, during the expansion of which mechanical work is performed in the engine, while part of the spent working fluid directs For regeneration and subsequent supply to the first reactor, in accordance with the invention, any natural or synthetic carbon-containing raw material that is subjected to autothermal or thermal gasification in the first reactor or the conversion of gaseous feedstock to produce hydrogen is used as the feedstock fed to the first reactor and carbon monoxide, which are separated from the by-products and fed into a methanator reactor, in which a methane-vapor mixture is formed during the catalytic reaction - whose body is fed into the engine, which converts the energy of the chemical process into mechanical energy, and the methane-vapor mixture spent in the engine is returned to the first reactor if gas is used as a raw material, or to an additional reactor if solid or liquid raw materials are used, in which the methane-vapor mixture is again converted to hydrogen and carbon monoxide and fed to a methanation reactor;

- а также тем, что в качестве природного или синтетического, углеродсодержащего сырья, используется или диоксид углерода, или карбиды и карбонаты, или отходы, или сточные воды;- and also the fact that as natural or synthetic, carbon-containing raw materials, either carbon dioxide, or carbides and carbonates, or waste, or wastewater is used;

- а также тем, что каталитическая реакция между водородом и оксидом углерода осуществляется при температуре от 600 К до 1400 К и давлении 0,6-20,0 МПа;- as well as the fact that the catalytic reaction between hydrogen and carbon monoxide is carried out at a temperature of from 600 K to 1400 K and a pressure of 0.6-20.0 MPa;

- а также тем, что выделившиеся в процессе автотермической или термической газификации, или конверсии газообразного сырья водород и оксид углерода отделяются от сопутствующих продуктов;- as well as the fact that hydrogen and carbon monoxide released during autothermal or thermal gasification or the conversion of gaseous feeds are separated from related products;

- а также тем, что в качестве двигателя может использоваться или роторный двигатель, или поршневой двигатель, или роторно-поршневой двигатель, или турбина;- and also the fact that either a rotary engine, or a piston engine, or a rotary piston engine, or a turbine can be used as an engine;

- а также тем, что работа упомянутых реакторов и двигателя осуществляется без выброса газообразных продуктов в окружающую среду;- as well as the fact that the operation of the said reactors and engine is carried out without the release of gaseous products into the environment;

- а также тем, что при малом количестве расходуемого исходного сырья обеспечивается любая заданная мощность двигателя за счет накопления водорода и оксида углерода;- as well as the fact that with a small amount of consumed feedstock any given engine power is provided due to the accumulation of hydrogen and carbon monoxide;

- а также тем, что процесс работы двигателя на исходном углеродсодержащем сырье осуществляется без сжигания этого сырья;- as well as the fact that the engine operation process on the carbon-containing feedstock is carried out without burning this feedstock;

- а также тем, что при определенной температуре, определяемой свойствами катализаторов, термическая конверсия отработанного метана осуществляется без потребления кислорода;- and also the fact that at a certain temperature determined by the properties of the catalysts, the thermal conversion of spent methane is carried out without oxygen consumption;

- а также тем, что для газификации водных смесей углеродсодержащего сырья используется плазмотрон в виде плазменной горелки;- as well as the fact that a plasma torch in the form of a plasma torch is used to gasify aqueous mixtures of carbon-containing raw materials;

- а также тем, что при утилизации исходного сырья кроме энергии производится заданная химическая продукция в количестве, соответствующем содержанию элементов в перерабатываемом сырье.- as well as the fact that during utilization of the feedstock, in addition to energy, a given chemical product is produced in an amount corresponding to the content of elements in the processed feedstock.

Предлагаемый способ преобразования энергии, включающий циклические технологии переработки углеводородного сырья, предназначен для высокоэффективного получения электрической и тепловой энергии, а также для высокоэффективного (с кпд до 95%) производства химической продукции и энергии, в случае создания энергохимических предприятий, без выбросов газообразных продуктов горения, загрязняющих атмосферу.The proposed method of energy conversion, including cyclic technologies for the processing of hydrocarbon raw materials, is intended for highly efficient production of electric and thermal energy, as well as for highly efficient (from efficiency up to 95%) production of chemical products and energy, in the case of the creation of energy chemical enterprises, without emissions of gaseous products of combustion polluting the atmosphere.

После термической или автотермической газификации или конверсии исходного сырья полученная смесь водорода и оксида углерода, которая является основным реагентом и энергоносителем, используется без сжигания для получения энергии или энергии и химических веществ за счет каталитического экзотермического процесса образования метана или других соединений.After thermal or autothermal gasification or conversion of the feedstock, the resulting mixture of hydrogen and carbon monoxide, which is the main reagent and energy carrier, is used without burning to produce energy or energy and chemicals due to the catalytic exothermic process of the formation of methane or other compounds.

Образовавшаяся метанопаровая смесь или смесь других органических соединений, охлажденная, например, в расширительной турбине, вновь подвергается конверсии с образованием водорода и оксида углерода, обеспечивая, таким образом, циркуляцию энергоносителя в системе.The resulting methane-vapor mixture or a mixture of other organic compounds, cooled, for example, in an expansion turbine, is again subjected to conversion with the formation of hydrogen and carbon monoxide, thus ensuring the circulation of the energy carrier in the system.

Повторной конверсии или газификации подвергаются также все продукты, образовавшиеся в результате побочных реакций, продукты, полученные в результате неполной газификации и нецелевые продукты, полученные в органическом синтезе.All products resulting from side reactions, products resulting from incomplete gasification, and non-target products obtained in organic synthesis are also re-converted or gasified.

Для переработки может быть использовано любое, без исключения, содержащее углерод сырье или сырье с добавкой углерода или углеводорода, переработка которого экономически целесообразна (например, соленая морская вода) или необходима по экологическим соображениям, например, больничные отходы, трупы больных животных, пропитанная нефтепродуктами или токсичными веществами почва, отвалы углеобогатительных производств, смесь воды и нефтепродуктов или иных углеводородов (с содержанием воды до 99,9%), нефтешламы, газы и смеси газов, содержащие углеводороды и оксид или диоксид углерода, торф, сланцы, бурые и каменные угли, асфальт, природные и технологические газы, нефтепродукты и сырая нефть и т.п.For processing, any, without exception, carbon-containing raw materials or raw materials with the addition of carbon or hydrocarbon can be used, the processing of which is economically feasible (for example, salt water) or necessary for environmental reasons, for example, hospital waste, dead animals, soaked in petroleum products or toxic substances include soil, dumps of coal processing plants, a mixture of water and oil products or other hydrocarbons (with a water content of up to 99.9%), oil sludge, gases and gas mixtures containing coal hydrocarbons and carbon monoxide or dioxide, peat, shale, lignite and coal, asphalt, natural and process gases, petroleum products and crude oil, etc.

Предложенный способ, в самом общем виде, реализуется следующим образом. Твердое или жидкое сырье, содержащее углерод или углеводороды, подвергается газификации в термическом или автотермическом режиме любым известным способом, подходящим для данного вида сырья, а газообразное сырье подвергается конверсии (риформингу) с целью получения максимального количества водорода и оксида углерода;The proposed method, in its most general form, is implemented as follows. Solid or liquid raw materials containing carbon or hydrocarbons, is gasified in thermal or autothermal mode by any known method suitable for this type of raw material, and gaseous raw materials are converted (reformed) in order to obtain the maximum amount of hydrogen and carbon monoxide;

- водород и оксид углерода отделяются, если необходимо, от сопутствующих продуктов и подвергаются (полностью или частично) каталитической конверсии (риформингу) при температуре от 600 К до 1400 К и давлении 0,6-10 МПа (в зависимости от типа используемого двигателя) с образованием метанопаровой смеси;- hydrogen and carbon monoxide are separated, if necessary, from related products and undergo (in whole or in part) catalytic conversion (reforming) at a temperature of 600 K to 1400 K and a pressure of 0.6-10 MPa (depending on the type of engine used) with the formation of a methane-vapor mixture;

- сопутствующие продукты - газы (кроме азота), жидкости, пыль и, возможно, сажа - направляются на повторную газификацию;- related products - gases (except nitrogen), liquids, dust and possibly soot - are sent for re-gasification;

- метанопаровая смесь - рабочее тело в двигателе - поступает в расширительную (детандерную) турбину или иной двигатель и совершает работу;- methane-vapor mixture — the working fluid in the engine — enters the expansion (expander) turbine or other engine and does the work;

- вышедшая из турбины или двигателя смесь подвергается парокислородной или парокислородноуглекислотной конверсии в автотермическом режиме, в результате которой вновь образуется смесь газов, состоящая из водорода и оксида углерода, то есть цикл замыкается;- the mixture emerging from the turbine or engine is subjected to steam-oxygen or steam-oxygen-carbon dioxide conversion in an autothermal mode, as a result of which a gas mixture consisting of hydrogen and carbon monoxide is formed again, that is, the cycle closes;

- избыточная тепловая энергия, выделяющаяся в реакторах и поступающая в блок очистки и разделения газов, утилизируется в котлах-утилизаторах, пар поступает в турбины, а горячая вода - в теплосеть;- excess heat energy released in the reactors and supplied to the gas purification and separation unit is utilized in recovery boilers, steam enters the turbines, and hot water enters the heating system;

- в случае конверсии какой-то части водорода и оксида углерода, неконвертированная часть направляется для синтеза заданных химических соединений (метиловый и этиловый спирты, диметиловый эфир, алканы, парафины, искусственное топливо, масла, альдегиды, этилен, пропилен и многие другие);- in the case of the conversion of some part of hydrogen and carbon monoxide, the non-converted part is sent for the synthesis of the given chemical compounds (methyl and ethyl alcohols, dimethyl ether, alkanes, paraffins, artificial fuel, oils, aldehydes, ethylene, propylene and many others);

- не прореагировавшая в процессе синтеза часть водорода и оксида углерода и сопутствующие нецелевые продукты направляются в реактор для конверсии, то есть цикл замыкается;- part of the hydrogen and carbon monoxide that did not react during the synthesis and associated non-target products are sent to the reactor for conversion, that is, the cycle closes;

- отделенный азот и, возможно, аргон, фасуется или, если они выделяются в незначительном количестве, возвращается в окружающую среду;- the separated nitrogen and, possibly, argon, is packed up or, if they are emitted in a small amount, is returned to the environment;

- твердые шлаки используются при строительстве дорог или подлежат захоронению в установленном порядке.- solid slag is used in the construction of roads or must be disposed of in the prescribed manner.

Предложенный способ позволяет перерабатывать любое количество сырья (от нескольких грамм до нескольких сотен тысяч тонн в сутки) и может быть использован для осуществления работы любого теплового двигателя известной конструкции (турбины, роторные, поршневые, роторно-поршневые и др.), а также обеспечивать работу двигателей практически на любом виде топлива (твердое, жидкое, газообразное) и/или одновременно производить химическую продукцию, в том числе чистую воду, обеспечивая производство и потребителей необходимым количеством энергии.The proposed method allows you to process any amount of raw materials (from several grams to several hundred thousand tons per day) and can be used to carry out the work of any heat engine of known design (turbines, rotor, piston, rotary piston, etc.), as well as provide work engines on virtually any type of fuel (solid, liquid, gaseous) and / or simultaneously produce chemical products, including clean water, providing consumers with the necessary amount of energy.

Далее будут приведены примеры, которые не являются ограничениями заявленного способа, а только лишь показывают несколько возможных практических реализации заявленного способа.Below are examples that are not limitations of the claimed method, but only show a few possible practical implementations of the claimed method.

Пример 1.Example 1

Перерабатываемое сырье - природный газ. Это один из самых простейших вариантов реализации предлагаемого способа. Установки малой мощности могут использоваться на транспортных средствах. Схема процесса представлена на фиг.1. Способ реализуется следующим образом.The processed raw materials are natural gas. This is one of the simplest options for implementing the proposed method. Low power plants can be used on vehicles. The process diagram is presented in figure 1. The method is implemented as follows.

Природный газ из хранилища или баллона поступает в реактор конверсии (риформинга) 1, в котором происходит каталитическая автотермическая парокисло-родная конверсия природного газа при температуре 1100-1372 К с образованием, в основном, водорода, оксида углерода и незначительного количества диоксида углерода (менее 5%). Образовавшиеся газы после очистки и разделения или непосредственно из реактора конверсии (риформинга) 1 поступают в реактор-метанатор 2, в котором происходит каталитическая экзотермическая реакция между газами с образованием метанопаровой смеси. Процесс проводят известным способом при давлении от 6 до 10 МПа, при этом развивается температура около 1400 К. Для турбины давление выбирают около 10 МПа, для роторного двигателя - 6-8 МПа, для поршневого двигателя - 1-5 МПа. Метан опаровая смесь (рабочее тело) поступает в двигатель 3, расширяется и производит работу. Отработавшая смесь вновь поступает в реактор 1 для повторной конверсии. Цикл замыкается. При большом количестве перерабатываемого сырья все реакторы оборудуются котлами-утилизаторами и дополнительными паровыми турбинами.Natural gas from the storage or cylinder enters the conversion (reforming) reactor 1, in which the catalytic autothermal vapor-oxygen conversion of natural gas occurs at a temperature of 1100-1372 K with the formation of mainly hydrogen, carbon monoxide and a small amount of carbon dioxide (less than 5 %). The gases formed after purification and separation, or directly from a conversion (reforming) reactor 1, enter a methanator reactor 2, in which a catalytic exothermic reaction between gases takes place to form a methane-vapor mixture. The process is carried out in a known manner at a pressure of from 6 to 10 MPa, while a temperature of about 1400 K develops. For a turbine, the pressure is chosen to be about 10 MPa, for a rotary engine - 6-8 MPa, for a piston engine - 1-5 MPa. The methane vapor mixture (working fluid) enters the engine 3, expands and does the work. The spent mixture again enters the reactor 1 for re-conversion. The cycle closes. With a large amount of processed raw materials, all reactors are equipped with waste heat boilers and additional steam turbines.

Теоретически в этом процессе расходуется кислород, незначительное количество воды для запуска установки и катализаторы, которые отравляются в процессе работы и подлежат периодической замене или регенерации. Однако практическая эксплуатация свидетельствует, что существуют непредусмотренные утечки до 0,15% в сутки. Расход кислорода для запуска процесса составляет 0,5-0,6 м3 на 1 м3 газа (в зависимости от состава газа), расход пара - 0,8 кг на 1 кг газа. Выход смеси водорода и оксида углерода составляет 2,84-2,86 кг на 1 кг метана или около 2,1 м3 на 1 м3 метана при конверсии СО2, который образуется в системе.Theoretically, this process consumes oxygen, a small amount of water to start the installation, and catalysts that are poisoned during operation and are subject to periodic replacement or regeneration. However, practical operation indicates that there are unintended leaks of up to 0.15% per day. The oxygen consumption for starting the process is 0.5-0.6 m 3 per 1 m 3 of gas (depending on the gas composition), the steam consumption is 0.8 kg per 1 kg of gas. The yield of a mixture of hydrogen and carbon monoxide is 2.84-2.86 kg per 1 kg of methane or about 2.1 m 3 per 1 m 3 of methane in the conversion of CO 2 that is formed in the system.

Поскольку процесс конверсии метана обратим, в качестве сырья можно использовать смесь водорода и оксида углерода, полученную в стационарных условиях (на металлургических, нефтеперерабатывающих и химических предприятиях). Схема такого процесса представлена на фиг.1а.Since the methane conversion process is reversible, a mixture of hydrogen and carbon monoxide obtained under stationary conditions (at metallurgical, oil refining, and chemical enterprises) can be used as raw material. A diagram of such a process is presented in figa.

Смесь газов из баллонов или хранилища поступает в реактор-метанатор 2, в котором происходит образование метана, из реактора 2 смесь поступает в двигатель 3, а из двигателя - в реактор конверсии (риформинга) 1, в котором метанопаровая смесь (рабочее тело) вновь превращается в смесь водорода и оксида углерода, которые возвращаются в реактор-метанатор 2. Цикл замыкается.The mixture of gases from the cylinders or storage enters the methanator reactor 2, in which methane is formed, from the reactor 2 the mixture enters the engine 3, and from the engine into the conversion (reforming) reactor 1, in which the methane-vapor mixture (working medium) is again converted into a mixture of hydrogen and carbon monoxide, which are returned to the reactor-methanator 2. The cycle closes.

Расчет мощности двигателя, работающего по приведенному на схемах методу получения энергии, производим по формуле:Calculation of the power of an engine operating according to the method for generating energy shown in the diagrams is performed according to the formula

Figure 00000002
Figure 00000002

где N - мощность, Вт;where N is power, W;

k - показатель адиабаты;k is the adiabatic exponent;

R - удельная газовая постоянная, Дж/(кг·К);R is the specific gas constant, J / (kg · K);

Т - абсолютная температура метанопаровой смеси на входе в двигатель (турбину), К;T is the absolute temperature of the methane-vapor mixture at the inlet to the engine (turbine), K;

рвх - давление парогазовой смеси на входе в турбину, Па;p I - pressure of the gas mixture at the inlet of the turbine, Pa;

рвых - давление парогазовой смеси на выходе из турбины, Па;p o - pressure of the gas mixture at the outlet of the turbine, Pa;

n - расход рабочего тела, кг/с.n is the flow rate of the working fluid, kg / s.

Исходные данные, принимаемые для расчета:The initial data accepted for calculation:

- тип двигателя - турбина;- engine type - turbine;

- рвх=10 МПа - давление парогазовой смеси на входе в турбину;- p I = 10 MPa — pressure of the gas-vapor mixture at the turbine inlet;

- рвых=0,11 МПа - давление парогазовой смеси на выходе из турбины;- p o = 0.11 MPa is the pressure of the gas mixture at the outlet of the turbine;

- Т=1400 К - температура парогазовой смеси на входе в турбину;- T = 1400 K — temperature of the gas-vapor mixture at the turbine inlet;

- μМ=16,04 - молекулярная масса метана;- μ M = 16.04 - molecular weight of methane;

- μn=18,016 - молекулярная масса водяного пара при Т=1400 К и р=10 МПа;- μ n = 18.016 — molecular weight of water vapor at T = 1400 K and p = 10 MPa;

- μMn=17,028 - молекулярная масса метанопаровой смеси;- μ Mn = 17,028 is the molecular weight of the methane-vapor mixture;

- Ср,n=2,620 кДж/(кг·К) - теплоемкость при постоянном давлении водяного пара при T=1400 К и р=10 МПа;- With p, n = 2,620 kJ / (kg · K) - heat capacity at constant pressure of water vapor at T = 1400 K and p = 10 MPa;

- Ср,M=5,251 кДж/(кг·К) - теплоемкость при постоянном давлении метана при T=1400 К и p=10 МПа;- C p, M = 5.251 kJ / (kg · K) - heat capacity at constant methane pressure at T = 1400 K and p = 10 MPa;

- RMn=488,3 Дж/(кг·К) - удельная газовая постоянная метанопаровой смеси;- R Mn = 488.3 J / (kg · K) - specific gas constant of the methane-vapor mixture;

- Сp,Mn=3,857 кДж/(кг·К) - теплоемкость при постоянном давлении метанопаровой смеси;- With p, Mn = 3.857 kJ / (kg · K) is the specific heat at constant pressure of the methane-vapor mixture;

- CV,Mn=Cр,Mn-RMn=3,369 кДж/(кг·К) - теплоемкость при постоянном объеме метанопаровой смеси;- C V, Mn = C p, Mn -R Mn = 3.369 kJ / (kg · K) - heat capacity at a constant volume of methane-vapor mixture;

-

Figure 00000003
- показатель адиабаты для метанопаровой смеси.-
Figure 00000003
- adiabatic exponent for methane-vapor mixture.

Принимая расход n=1 кг/с, получаем мощность N=2,35 МВт. Для сравнения: турбина, работающая на перегретом паре, при тех же параметрах имеет мощность 1,95 МВт. Температура выхлопа по формуле:

Figure 00000004
равна 791 К.Taking a flow rate of n = 1 kg / s, we obtain a power of N = 2.35 MW. For comparison: a turbine running on superheated steam, with the same parameters, has a capacity of 1.95 MW. The exhaust temperature according to the formula:
Figure 00000004
equal to 791 K.

Если процесс каталитического риформинга метана проводить при температурах 1023-1143 К, то при давлении выхлопа от 0,51 до 1,24 МПа отработавшие газы будут иметь указанную же температуру. В этом случае не потребуется расходовать кислород и достаточно будет ограничиться паровым каталитическим риформингом (конверсией), т.к. температуру в реакторе будут обеспечивать отработавшие газы.If the process of catalytic reforming of methane is carried out at temperatures of 1023-1143 K, then at an exhaust pressure of 0.51 to 1.24 MPa, the exhaust gases will have the indicated temperature. In this case, it will not be necessary to consume oxygen and it will be sufficient to limit ourselves to steam catalytic reforming (conversion), because The temperature in the reactor will be provided by the exhaust gases.

После запуска процесса расходным материалом будет только катализатор, который отравляется в процессе эксплуатации. Водяной пар и газ будут расходоваться лишь для компенсации возможных утечек и пополнения системы за счет отделения не участвующих в реакции газов (азот, аргон и др.).After starting the process, only the catalyst that is poisoned during operation will be the consumable. Water vapor and gas will be consumed only to compensate for possible leaks and replenish the system by separating gases not participating in the reaction (nitrogen, argon, etc.).

При вышеприведенных параметрах процесса и давлении газов после турбины 0,84 МПа мощность двигателя будет равна 1,46 МВт. Количество энергии, выделенной в процессе, определяется из реакций:With the above process parameters and a gas pressure after the turbine of 0.84 MPa, the engine power will be 1.46 MW. The amount of energy released in the process is determined from the reactions:

СО+3Н2→СН42О+206,2 кДж/моль иСО + 3Н 2 → СН 4 + Н 2 О + 206.2 kJ / mol and

СН4+0,5O2→СО+2H2+34 кДж/моль.CH 4 + 0.5O 2 → CO + 2H 2 +34 kJ / mol.

Суммарная подведенная тепловая мощность процесса составляет 12,12+2,512=14,242 МВт, Внутренний термический кпд циклического процесса в первом случае составляет 0,165.The total heat input of the process is 12.12 + 2.512 = 14.242 MW. The internal thermal efficiency of the cyclic process in the first case is 0.165.

Во втором случае (при мощности 1,46 МВт) подведенная тепловая мощность составляет 12,12 МВт, а внутренний кпд 0,12.In the second case (at a power of 1.46 MW), the supplied thermal power is 12.12 MW, and the internal efficiency is 0.12.

Внутренний кпд цикла Карно рассчитываем по формуле:

Figure 00000005
. В первом случае он составляет 0,44, во втором - 0,27.The internal efficiency of the Carnot cycle is calculated by the formula:
Figure 00000005
. In the first case, it is 0.44, in the second - 0.27.

При использовании водогрейного котла мощность увеличится на 1,055 МВт и кпд составит 0,24, а кпд цикла Карно - 0,687.When using a hot water boiler, the capacity will increase by 1,055 MW and the efficiency will be 0.24, and the efficiency of the Carnot cycle - 0.687.

При большом объеме перерабатываемого газа метод реализуется по схеме, показанной на фиг.1б, которая дополняется блоком реакторов синтеза 4 заданной продукции, котлами-утилизаторами 5-8 с турбогенераторами, а реактор конверсии 1 и реактор-метанатор 2 могут иметь пароперегреватели. Непрореагировавшие газы и нецелевые продукты возвращаются на риформинг в реактор 1, возможно, через расширительную турбину (на фиг.1б не показана). При этом наряду с электроэнергией (2,7 кВт·ч на 1 норм. м3 газа), одновременно будет производиться заданная химическая продукция, например метиловый спирт, в количестве 1,015 кг на 1 норм. м3 газа. Кпд процесса, определенный по количеству энергии, заключенной в полученной продукции, составляет 0,914.With a large volume of processed gas, the method is implemented according to the scheme shown in Fig. 1b, which is supplemented by a block of synthesis reactors 4 of a given product, waste heat boilers 5-8 with turbogenerators, and conversion reactor 1 and reactor-methanator 2 can have superheaters. Unreacted gases and non-target products are returned for reforming to the reactor 1, possibly through an expansion turbine (not shown in Fig. 1b). At the same time, along with electricity (2.7 kW · h per 1 normal. M 3 gas), at the same time will be produced a given chemical product, for example methyl alcohol, in the amount of 1.015 kg per 1 norm. m 3 gas. The efficiency of the process, determined by the amount of energy contained in the resulting product, is 0.914.

Пример 2.Example 2

Перерабатываемое сырье - твердые или жидкие углеводороды или отходы, содержащие углерод, углеводороды или углеводы. Схема представлена на фиг.2, 2а, 2б. Способ реализуется следующим образом.Processed raw materials - solid or liquid hydrocarbons or waste containing carbon, hydrocarbons or carbohydrates. The diagram is presented in figure 2, 2A, 2B. The method is implemented as follows.

Сырье после соответствующей подготовки по принятой (известной) технологии загружается в реактор-газификатор 9, предназначенный для переработки твердого или жидкого сырья, в котором происходит газификация под действием пара и кислорода. Шлак выгружается. Полученный газ, который состоит в основном из водорода и оксида углерода, а также углеводородов (газов - до 6-8%, жидкостей - менее 1%), поступает в блок очистки и разделения 10. Отделенные в блоке 10 углеводороды, пыль и, возможно, сажа, возвращаются в реактор-газификатор 9, а смесь водорода и оксида углерода - в реактор-метанатор 2, в котором происходит каталитическая экзотермическая реакция между компонентами смеси с образованием метанопаровой смеси. Метанопаровая смесь подается в двигатель 3, расширяется и совершает работу. Из двигателя 3 отработавшая смесь поступает в реактор конверсии 1, в котором вновь превращается в водород и оксид углерода, а затем либо полностью возвращается в реактор-метанатор 2 и цикл замыкается, либо полностью или частично поступает в блок 4, а частично возвращается в реактор-метанатор 2. Наличие отдельного реактора конверсии 1 позволяет накапливать реакционную смесь и увеличить мощность энергоустановок при небольшом количестве перерабатываемого сырья. В блоке 4 происходит синтез заданных органических соединений, которые затем отгружаются потребителю, а нецелевые продукты и продувочные газы через двигатель 11 (расширительную турбину) поступают непосредственно в реактор конверсии 1. Полученные в реакторе конверсии 1 водород и оксид углерода, вновь подаются в реактор-метанатор 2 для образования метанопаровой смеси. Цикл замыкается.The raw material after appropriate preparation according to the accepted (known) technology is loaded into a gasifier reactor 9, intended for processing solid or liquid raw materials, in which gasification occurs under the action of steam and oxygen. Slag is unloaded. The resulting gas, which consists mainly of hydrogen and carbon monoxide, as well as hydrocarbons (gases - up to 6-8%, liquids - less than 1%), enters the purification and separation unit 10. The hydrocarbons, dust, and possibly , carbon black, are returned to the gasification reactor 9, and the mixture of hydrogen and carbon monoxide is returned to the methanation reactor 2, in which a catalytic exothermic reaction occurs between the components of the mixture with the formation of a methane-vapor mixture. The methane-vapor mixture is fed into the engine 3, expands and does the job. From engine 3, the spent mixture enters the conversion reactor 1, in which it again turns into hydrogen and carbon monoxide, and then either completely returns to the methanation reactor 2 and the cycle closes, or completely or partially enters block 4, and partially returns to the reactor methanator 2. The presence of a separate conversion reactor 1 allows you to accumulate the reaction mixture and increase the power of power plants with a small amount of processed raw materials. In block 4, the synthesis of the specified organic compounds takes place, which are then shipped to the consumer, and non-target products and purge gases through engine 11 (expansion turbine) go directly to conversion reactor 1. Hydrogen and carbon monoxide obtained in conversion reactor 1 are fed back to the methanation reactor 2 to form a methanopar mixture. The cycle closes.

Для полного использования энергии, выделяющейся в данном цикле (фиг.2а), все реакторы 1, 2, 9 и блок очистки и разделения 10 имеют котлы-утилизаторы 6, а реактор 9 и, возможно, 2 - пароперегреватели 9 (на фиг.2а не показаны). Полученный в котлах-утилизаторах 6 пар подается в турбину 12.To make full use of the energy released in this cycle (Fig. 2a), all reactors 1, 2, 9 and the purification and separation unit 10 have recovery boilers 6, and reactor 9 and possibly 2 have superheaters 9 (in Fig. 2a) not shown). Received in waste heat boilers 6 steam is fed into the turbine 12.

В транспортном варианте силовой установки из приведенной на фиг.2 схемы процесса исключаются: блок 4, в котором осуществляется синтез органических соединений, а также реактор конверсии 1 - и метанопаровая смесь из двигателя 3 поступает непосредственно в реактор-газификатор 9.In the transport version of the power plant, the process diagrams shown in Fig. 2 are excluded: unit 4, in which the synthesis of organic compounds is carried out, as well as conversion reactor 1, and the methane-vapor mixture from engine 3 goes directly to the gasification reactor 9.

При большом количестве перерабатываемых отходов (от нескольких сот до нескольких тысяч тонн в сутки) в схеме, изображенной на фиг.2а, для использования энергии продувочных газов, поступающих из блока реактора синтеза 4, целесообразно устанавливать дополнительную расширительную турбину 11, реактор конверсии 1 и реактор конверсии газообразных и жидких углеводородов 13. В полном виде схема реализации способа в таком варианте приведена на фиг.2б.With a large amount of recyclable waste (from several hundred to several thousand tons per day) in the circuit shown in Fig. 2a, it is advisable to install an additional expansion turbine 11, conversion reactor 1 and reactor in order to use the energy of purge gases coming from the unit of synthesis reactor 4 the conversion of gaseous and liquid hydrocarbons 13. In its entirety, a diagram of the implementation of the method in this embodiment is shown in Fig.2b.

Приведенный в данном примере один из возможных вариантов реализации заявленного способа позволяет перерабатывать от нескольких килограмм до нескольких сотен тысяч тонн сырья в сутки. В зависимости от вида перерабатываемого сырья количество получаемого газа колеблется от 1-1,5 м3/кг для низкосортного бурого угля и бытовых отходов, до 3-3,5 м3/кг для мазута, нефтяных остатков и сырой нефти.Given in this example, one of the possible options for implementing the inventive method allows you to process from several kilograms to several hundred thousand tons of raw materials per day. Depending on the type of processed raw materials, the amount of gas produced varies from 1-1.5 m 3 / kg for low-grade brown coal and household waste, to 3-3.5 m 3 / kg for fuel oil, oil residues and crude oil.

Если описанный в примере способ используется для переработки постоянно поступающих отходов, то необходимо либо выпускать химическую продукцию, либо увеличивать мощность энергоустановки до тех пор, пока количество перерабатываемых отходов не будет полностью компенсировать возможные потери в цикле, поскольку иным способом нельзя предотвратить выброс газообразных продуктов в атмосферу.If the method described in the example is used for processing constantly incoming waste, it is necessary either to release chemical products or increase the capacity of the power plant until the amount of processed waste fully compensates for possible losses in the cycle, since otherwise it is impossible to prevent the release of gaseous products into the atmosphere .

Расход перерабатываемого сырья будет определяться чистотой циркулирующих реагентов и количеством инертных, не поддающихся газификации компонентов (азот, аргон). Расчет мощности проводим по формуле, приведенной в примере 1. Перерабатываемое сырье - бурый уголь. Расход пара на газификацию составляет 0,5 кг на 1 кг угля, расход кислорода - 0,395 кг на 1 кг угля. Исходные данные для расчета:The consumption of processed raw materials will be determined by the purity of the circulating reagents and the amount of inert, non-gasifiable components (nitrogen, argon). The power calculation is carried out according to the formula given in example 1. The processed raw material is brown coal. Steam consumption for gasification is 0.5 kg per 1 kg of coal, oxygen consumption is 0.395 kg per 1 kg of coal. The initial data for the calculation:

- выход метилового спирта (метанола) - 0,41 кг на 1 кг угля;- the yield of methyl alcohol (methanol) - 0.41 kg per 1 kg of coal;

- энтальпия сгорания угля - 15,85 МДж/кг;- enthalpy of coal combustion - 15.85 MJ / kg;

- температура процесса газификации - 1173 К;- temperature of the gasification process - 1173 K;

- давление газификации - 2 МПа;- gasification pressure - 2 MPa;

- температура процесса образования метана - 1400 К;- the temperature of the methane formation process is 1400 K;

- давление процесса образования метана - 10 МПа;- pressure of the process of methane formation - 10 MPa;

- давление процесса синтеза метанола - 8 МПа;- the pressure of the methanol synthesis process is 8 MPa;

- температура на выходе из блока реакторов синтеза метанола - 543 К;- the temperature at the outlet of the methanol synthesis reactor block is 543 K;

- давление острого пара - 3 МПа;- direct steam pressure - 3 MPa;

- энтальпия острого пара - 3390 кДж/кг;- enthalpy of hot steam - 3390 kJ / kg;

- давление пара промежуточного перегрева - 2,1 МПа;- vapor pressure of the intermediate overheating - 2.1 MPa;

- энтальпия пара промежуточного перегрева - 3450 кДж/кг;- vapor enthalpy of intermediate overheating - 3450 kJ / kg;

- давление пара низкого давления - 1,2 МПа;- low pressure steam pressure - 1.2 MPa;

- количество газа, образующегося при газификации - 1,624 кг на 1 кг угля;- the amount of gas generated during gasification is 1,624 kg per 1 kg of coal;

- количество продувочных газов в блоке реакторов синтеза метанола - 0,451 кг на 1 кг угля;- the amount of purge gases in the methanol synthesis reactor block is 0.451 kg per 1 kg of coal;

- процентное содержание газов в продуктах газификации:- percentage of gases in gasification products:

водород - 33%, оксид углерода - 27,9%, диоксид углерода - 14,9%, водяной пар - 2,6%, метан - 1,32%, оксид серы - 0,1%, оксид азота - 0,18%;hydrogen - 33%, carbon monoxide - 27.9%, carbon dioxide - 14.9%, water vapor - 2.6%, methane - 1.32%, sulfur oxide - 0.1%, nitric oxide - 0.18 %;

- количество острого пара на паровую турбину при газификации угля - 0,78 кг на 1 кг угля;- the amount of hot steam to a steam turbine during coal gasification - 0.78 kg per 1 kg of coal;

- количество пара промежуточного перегрева на паровую турбину при газификации угля - 0,70 кг на 1 кг угля;- the amount of steam intermediate overheating on a steam turbine during coal gasification - 0.70 kg per 1 kg of coal;

- количество пара низкого давления на паровую турбину при газификации угля - 1,07 кг на 1 кг угля.- the amount of low pressure steam to a steam turbine during coal gasification - 1.07 kg per 1 kg of coal.

Полученные результаты расчета:The obtained calculation results:

- количество электроэнергии, вырабатываемой паровой турбиной при газификации 1 кг угля - 0,58 кВт·ч;- the amount of electricity generated by a steam turbine during gasification of 1 kg of coal - 0.58 kWh;

- количество электроэнергии, вырабатываемой турбиной при газификации 1 кг угля - 0,69 кВт·ч;- the amount of electricity generated by the turbine during gasification of 1 kg of coal is 0.69 kWh;

- суммарное количество энергии, вырабатываемой из газа, полученного в результате газификации 1 кг угля - 13,72 МДж;- the total amount of energy generated from gas obtained as a result of gasification of 1 kg of coal - 13.72 MJ;

- энергетический кпд процесса - 0,866.- energy efficiency of the process - 0.866.

Пример 3.Example 3

Перерабатываемое сырье - смесь воды, непригодной для питья (соленая вода; промышленные и бытовые сточные воды и др.) и любых углеродсодержащих соединений (углеводороды; сажа; угольная пыль; торф; сланцы, лигнин; все без исключения промышленные и бытовые отходы; газы, включая СО2 и др.). Схема процесса представлена на фиг.3. Способ реализуется следующим образом.Processed raw materials - a mixture of water unsuitable for drinking (salt water; industrial and domestic wastewater, etc.) and any carbon-containing compounds (hydrocarbons; soot; coal dust; peat; shale, lignin; without exception, industrial and household waste; gases, including CO 2 , etc.). The process diagram is presented in figure 3. The method is implemented as follows.

Если вода не содержит органических веществ, то она предварительно смешивается с измельченными твердыми, или жидкими, или газообразными, или со всеми одновременно углеродсодержащими продуктами, после чего подвергается диспергированию в блоке 14 и подается распылительной форсункой 15 в струю плазмы плазменной горелки 16, установленной в котле-реакторе 17 (плазмообразующее вещество - пары воды, СО2 или смесь СО2 с парами воды). Количество подаваемой форсункой 15 смеси должно быть таким, чтобы обеспечить в реакционной зоне котла-реактора 17 температуру порядка 2000-3650 К и давление до 15 МПа, в зависимости от элементного состава примесей в перерабатываемой воде. При этой температуре неорганические вещества оплавляются, выпадают в осадок и утилизируются. Органические и металлорганические вещества подвергаются паровой конверсии с образованием оксида углерода и водорода. Образовавшаяся газовая смесь поступает в двигатель (турбину) 3, а пар из котла-реактора 17 - в паровую турбину 12. После выхода из двигателя (турбины) 3 через паровой котел 6, газы разделяются в разделителе газов 20. Оксид углерода и водород направляются в накопитель 22 заданного объема. Пары воды конденсируются в конденсаторе водяного пара 19 и вода направляется в систему водоснабжения и водоподготовки в блок 21, после которой поступает потребителям. Азот и аргон направляются в хранилище 23 для последующего использования потребителями.If the water does not contain organic substances, then it is pre-mixed with crushed solid, or liquid, or gaseous, or with all carbon-containing products at the same time, after which it is dispersed in block 14 and fed by a spray nozzle 15 into the plasma jet of a plasma torch 16 installed in the boiler -reactor 17 (plasma-forming substance - water vapor, CO 2 or a mixture of CO 2 with water vapor). The amount of mixture supplied by the nozzle 15 must be such as to provide a temperature of about 2000-3650 K and a pressure of up to 15 MPa in the reaction zone of the reactor boiler 17, depending on the elemental composition of the impurities in the treated water. At this temperature, inorganic substances are melted, precipitated and disposed of. Organic and organometallic substances undergo steam reforming with the formation of carbon monoxide and hydrogen. The resulting gas mixture enters the engine (turbine) 3, and the steam from the reactor boiler 17 to the steam turbine 12. After exiting the engine (turbine) 3 through the steam boiler 6, the gases are separated in the gas separator 20. Carbon monoxide and hydrogen are sent to drive 22 of a given volume. Water vapor is condensed in the water vapor condenser 19 and the water is sent to the water supply and water treatment system in block 21, after which it is supplied to consumers. Nitrogen and argon are sent to storage 23 for subsequent use by consumers.

Поступление СО и Н2 в накопитель 22 водорода и оксида водорода происходит непрерывно, в течение всего времени работы установки. Из накопителя 22 СО и Н2 поступают в заданных количествах в реактор-метанатор 2 и в блок реакторов синтеза 4. Из реактора-метанатора 2 метано-паровая смесь поступает в дополнительную расширительную турбину 11, далее в паровой котел 6 или, минуя его, возвращается на автотермическую конверсию в реактор конверсии 1, или через паровой котел 6, минуя реактор конверсии 1, на диспергирование в блок диспергирования 14. Водородно-оксидуглеродный цикл замыкается. Количество циркулирующих оксида углерода и водорода определяется заданной мощностью энергетического блока, которая рассчитывается, исходя из потребностей региона и удовлетворения собственных нужд. Из блока реакторов синтеза 4 продукция поступает на товарный склад и затем отгружается потребителям.The receipt of CO and H 2 in the accumulator 22 of hydrogen and hydrogen oxide occurs continuously, throughout the entire operation of the installation. From the accumulator 22, CO and H 2 are supplied in predetermined quantities to the methanation reactor 2 and to the synthesis reactor unit 4. From the methanation reactor 2, the methane-steam mixture enters an additional expansion turbine 11, then to the steam boiler 6 or, bypassing it, returns for autothermal conversion to conversion reactor 1, or through a steam boiler 6, bypassing conversion reactor 1, for dispersion into dispersion unit 14. The hydrogen-carbon-oxide cycle is closed. The amount of circulating carbon monoxide and hydrogen is determined by the set power of the energy block, which is calculated based on the needs of the region and the satisfaction of their own needs. From the synthesis reactor block 4, the products are delivered to a warehouse and then shipped to consumers.

При переработке сточных вод и вод, загрязненных органическими веществами, выпуск химической органической продукции обязателен, поскольку участвующие в цикле вещества теоретически не расходуются. При использовании способа для опреснения воды может производиться только неорганическая продукция.In the processing of wastewater and water contaminated with organic substances, the release of chemical organic products is mandatory, since the substances involved in the cycle are theoretically not consumed. When using the method for desalination, only inorganic products can be produced.

Исходные данные для расчета:The initial data for the calculation:

- мощность плазменной горелки при расходе воды 1 л/с - 24,3 МВт;- the power of the plasma torch with a water flow of 1 l / s - 24.3 MW;

- количество тепла, ежесекундно подводимого к котлу-реактору 17 при кпд горелки 0,95-22,91 МДж;- the amount of heat supplied to the boiler-reactor 17 every second at a burner efficiency of 0.95-22.91 MJ;

- температура водяного пара на входе в паровую турбину 12 - 1623,2 К;- the temperature of water vapor at the entrance to the steam turbine 12 - 1623.2 K;

- давление пара на входе в паровую турбину 12 - 15 МПа;- steam pressure at the entrance to the steam turbine 12 - 15 MPa;

- давление пара на выходе из паровой турбины 12 - 0,11 МПа;- steam pressure at the outlet of the steam turbine 12 - 0.11 MPa;

- количество тепла, необходимое для испарения 1 кг воды и нагрева 1 кг водяного пара до 1623,2К - 6,6 МДж;- the amount of heat required to evaporate 1 kg of water and heat 1 kg of water vapor to 1623.2 K - 6.6 MJ;

- мощность двигателя (турбины) 3 при расходе метанопаровой смеси 1 кг/с - 2,35 МВт.- engine (turbine) 3 power at a methane-vapor mixture consumption of 1 kg / s - 2.35 MW.

Полученные результаты расчета;The obtained calculation results;

- количество воды и пара, нагреваемых выделенным теплом до температуры 1623,2К - 4,47 кг;- the amount of water and steam heated by the allocated heat to a temperature of 1623.2 K - 4.47 kg;

- суммарная мощность турбин - 13,56 МВт;- The total capacity of the turbines is 13.56 MW;

- количество неиспользованного для производства электроэнергии тепла (поступает в теплосеть) - 10,8 МДж;- the amount of heat unused for the production of electricity (enters the heating system) - 10.8 MJ;

- расход метанопаровой смеси через двигатель (турбину) 3 для компенсации неиспользованного тепла - 4,6 кг/с.- consumption of methane-vapor mixture through the engine (turbine) 3 to compensate for unused heat - 4.6 kg / s

Производимая продукция: дистиллированная вода, электроэнергия, тепловая энергия, неорганические шлаки, продукты органического и неорганического синтеза.Produced products: distilled water, electricity, thermal energy, inorganic slag, products of organic and inorganic synthesis.

Источники информацииInformation sources

1. Химическая энциклопедия. М.: Большая Российская энциклопедия, 1988-1998, т.1-5.1. Chemical encyclopedia. M.: Big Russian Encyclopedia, 1988-1998, t.1-5.

2. Манелис Г.Б., Полианчик Е.В., Фурсов В.П. Энерготехнологии сжигания на основе явления сверхадиабатических разогревов. Химия в интересах устойчивого развития, 2000, №8, с.537-545.2. Manelis G.B., Polianchik E.V., Fursov V.P. Combustion energy technologies based on the phenomenon of super-adiabatic heating. Chemistry for Sustainable Development, 2000, No. 8, pp. 537-545.

3. Манелис Г.Б., Фурсов В.П., Стесик Л.Н. и др. Способ переработки отходов, содержащих углеводороды, патент RU №2116570 C1, F23G 7/00, 7/05; 1998.3. Manelis G.B., Fursov V.P., Stesik L.N. and others. The method of processing waste containing hydrocarbons, patent RU No. 2116570 C1, F23G 7/00, 7/05; 1998.

4. Манелис Г.Б., Фурсов В.П., Полианчик Е.В. Способ переработки горючих твердых бытовых отходов, патент RU №2150045, 1998.4. Manelis G.B., Fursov V.P., Polianchik E.V. A method of processing combustible solid household waste, patent RU No. 2150045, 1998.

5. Клер A.M., Тюрина Э.А. Математическое моделирование и технико-экономические исследования энерготехнологических установок синтеза метанола. Новосибирск: Наука, 1998 - 127 с.5. Claire A.M., Tyurina E.A. Mathematical modeling and feasibility studies of energy-technological methanol synthesis plants. Novosibirsk: Nauka, 1998 - 127 p.

6. Степанов B.C. Химическая энергия и эксергия веществ. Новосибирск: Наука, 1990 - 163 с.6. Stepanov B.C. Chemical energy and exergy of substances. Novosibirsk: Nauka, 1990 - 163 p.

7. Гурвич Л.В., Карачевцев Г.В. и др. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. М.: Наука, 1974 - 351 с.7. Gurvich L.V., Karachevtsev G.V. and others. The energy of breaking chemical bonds. Ionization potentials and electron affinity. M .: Nauka, 1974 - 351 p.

8. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972 - 780 с.8. Vargaftik N.B. Handbook of thermophysical properties of gases and liquids. M .: Nauka, 1972 - 780 p.

Claims (8)

1. Способ преобразования энергии, выделяющейся в процессе термохимической реакции, в механическую работу, включающий подачу исходного сырья в первый реактор, взаимодействие компонентов сырья в экзотермическом процессе, в результате которого образуется водород и оксид углерода, которые подают в реактор - метанатор, в котором посредством каталитической реакции образуют рабочее тело - метанопаровую смесь, при расширении которой в двигателе производят механическую работу, а отработанное рабочее тело направляют на регенерацию и последующую подачу в первый реактор, отличающийся тем, что исходное сырье в первом реакторе подвергают автотермической или термической газификации с отделением водорода и оксида углерода, подаваемых в реактор - метанатор от сопутствующих продуктов, а каталитическую реакцию между водородом и оксидом углерода осуществляют при температуре от 600 до 1400 К и давлении 0,6-20,0 МПа.1. A method of converting the energy released in the process of a thermochemical reaction into mechanical work, including supplying the feedstock to the first reactor, the interaction of the components of the feedstock in an exothermic process, resulting in the formation of hydrogen and carbon monoxide, which are fed to a methanator reactor, in which the catalytic reaction is formed by a working fluid - a methane-vapor mixture, during the expansion of which mechanical work is performed in the engine, and the spent working fluid is sent for regeneration and subsequent feeding into the first reactor, characterized in that the feedstock in the first reactor is subjected to autothermal or thermal gasification with the separation of hydrogen and carbon monoxide supplied to the methanator reactor from related products, and the catalytic reaction between hydrogen and carbon monoxide is carried out at a temperature of from 600 to 1400 K and a pressure of 0.6-20.0 MPa. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве двигателя используют или роторный двигатель, или поршневой двигатель, или роторно-поршневой двигатель, или турбину.2. The method according to claim 1, characterized in that either a rotary engine, or a piston engine, or a rotary piston engine, or a turbine is used as the engine. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что работу упомянутых реакторов и двигателя, осуществляют без выброса газообразных продуктов в окружающую среду.3. The method according to claim 1, characterized in that the operation of the aforementioned reactors and engine is carried out without the release of gaseous products into the environment. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при малом количестве расходуемого исходного сырья, обеспечивают любую заданную мощность двигателя за счет накопления водорода и оксида углерода.4. The method according to claim 1, characterized in that with a small amount of consumed feedstock, provide any given engine power due to the accumulation of hydrogen and carbon monoxide. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс работы двигателя на исходном углеродсодержащем сырье осуществляют без сжигания этого сырья.5. The method according to claim 1, characterized in that the engine operation process on the carbon-based feedstock is carried out without burning this feedstock. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при определенной температуре, определяемой свойствами катализаторов, термическую конверсию отработанного метана осуществляют без потребления кислорода.6. The method according to claim 1, characterized in that at a certain temperature determined by the properties of the catalysts, the thermal conversion of spent methane is carried out without oxygen consumption. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что для газификации водных смесей углеродсодержащего сырья используют плазмотрон в виде плазменной горелки.7. The method according to claim 1, characterized in that for the gasification of aqueous mixtures of carbon-containing raw materials using a plasma torch in the form of a plasma torch. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при утилизации исходного сырья наряду с энергией производят заданную химическую продукцию.8. The method according to claim 1, characterized in that when disposing of the feedstock, along with the energy, a predetermined chemical product is produced.
RU2005140383/06A 2005-12-23 2005-12-23 Method of conversing energy emanating during exothermic process, into mechanical work RU2323351C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005140383/06A RU2323351C2 (en) 2005-12-23 2005-12-23 Method of conversing energy emanating during exothermic process, into mechanical work

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005140383/06A RU2323351C2 (en) 2005-12-23 2005-12-23 Method of conversing energy emanating during exothermic process, into mechanical work

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2005140383A RU2005140383A (en) 2008-01-27
RU2323351C2 true RU2323351C2 (en) 2008-04-27

Family

ID=39109253

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2005140383/06A RU2323351C2 (en) 2005-12-23 2005-12-23 Method of conversing energy emanating during exothermic process, into mechanical work

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2323351C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2524317C1 (en) * 2013-03-27 2014-07-27 Геннадий Павлович Барчан Conversion of power with recovery of energy carries in cyclic process of heat engine
RU2540210C2 (en) * 2009-11-27 2015-02-10 Нуово Пиньоне С.п.А. Gas turbine operation control method based on temperature of exhaust gas and gas turbine

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2540210C2 (en) * 2009-11-27 2015-02-10 Нуово Пиньоне С.п.А. Gas turbine operation control method based on temperature of exhaust gas and gas turbine
RU2524317C1 (en) * 2013-03-27 2014-07-27 Геннадий Павлович Барчан Conversion of power with recovery of energy carries in cyclic process of heat engine
WO2014158054A1 (en) 2013-03-27 2014-10-02 Barchan Gennadij Pavlovich Method for converting energy with fuel regeneration in a cyclic process of a heat engine
CN105745402A (en) * 2013-03-27 2016-07-06 G·P·巴尔坎 Method for conversion with recovery of energy carriers in a cyclical process of a thermal engine
CN105745402B (en) * 2013-03-27 2017-07-14 G·P·巴尔坎 The method that energy carrier in cyclic process by reclaiming heat engine carries out energy conversion
EA029923B1 (en) * 2013-03-27 2018-05-31 Геннадий Павлович БАРЧАН Method for converting energy with fuel regeneration in a cyclic process of a heat engine

Also Published As

Publication number Publication date
RU2005140383A (en) 2008-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Nunes Biomass gasification as an industrial process with effective proof-of-concept: A comprehensive review on technologies, processes and future developments
Pashchenko Thermochemical waste-heat recuperation as on-board hydrogen production technology
JP5791054B2 (en) Thermochemical use of carbon-containing materials for energy generation, especially without emissions
Albertazzi et al. The technical feasibility of biomass gasification for hydrogen production
US7337612B2 (en) Method for the utilization of energy from cyclic thermochemical processes to produce mechanical energy and plant for this purpose
KR101103594B1 (en) Multi fluidized bed water-gas shift reactor and the hydrogen production method by using syngas from waste gasification
EP1005605B1 (en) High efficiency reformed methanol gas turbine power plants
US20080098654A1 (en) Synthetic fuel production methods and apparatuses
EA027057B1 (en) Process and system for conversion of carbon dioxide to carbon monoxide
US20140288195A1 (en) Process for the thermochemical conversion of a carbon-based feedstock to synthesis gas containing predominantly h2 and co
JP2010070763A (en) Chemical product providing system and method for providing chemical product
CZ2004440A3 (en) Method for controlling temperature of combustion turbine inlet fuel in order to achieve maximum power output
JP2005517053A (en) Production of synthetic transportation fuel from carbonaceous materials using self-supporting hydrogenation gasification
JP2007525555A (en) Co-production of hydrogen and electricity by biomass gasification
KR20120064030A (en) Carbon dioxide free gasification
Basini et al. CO2 capture and utilization (CCU) by integrating water electrolysis, electrified reverse water gas shift (E-RWGS) and methanol synthesis
RU2385836C2 (en) Method of developing hydrogen energy chemical complex and device for its realisation
Pashchenko Low-grade heat utilization in the methanol-fired gas turbines through a thermochemical fuel transformation
Pashchenko Ammonia fired gas turbines: Recent advances and future perspectives
Adnan et al. Integrated diesel fueled chemical looping combustion for power generation and CO2 capture–Performance evaluation based on exergy analysis
Fomin et al. Thermochemical recovery of heat contained in exhaust gases of internal combustion engines (a general approach to the problem of recovery of heat contained in exhaust gases)
Yan et al. On a novel carbon-negative IGCC system with cascade CO2 combined cycle
Levikhin et al. High-temperature reactor for hydrogen production by partial oxidation of hydrocarbons
RU2323351C2 (en) Method of conversing energy emanating during exothermic process, into mechanical work
Zare et al. Techno economic analysis of efficient and environmentally friendly methods for hydrogen, power, and heat production using chemical looping combustion integrating plastic waste gasification and thermochemical copper chlorine cycles

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20111224