RU2386819C2 - Method of energy conversion with regeneration of energy sources in barchan cyclic process - Google Patents

Method of energy conversion with regeneration of energy sources in barchan cyclic process Download PDF

Info

Publication number
RU2386819C2
RU2386819C2 RU2008113761/06A RU2008113761A RU2386819C2 RU 2386819 C2 RU2386819 C2 RU 2386819C2 RU 2008113761/06 A RU2008113761/06 A RU 2008113761/06A RU 2008113761 A RU2008113761 A RU 2008113761A RU 2386819 C2 RU2386819 C2 RU 2386819C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mixture
energy
engine
hydrogen
gasification
Prior art date
Application number
RU2008113761/06A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008113761A (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 RU2008113761/06A priority Critical patent/RU2386819C2/en
Priority to CA 2662053 priority patent/CA2662053A1/en
Publication of RU2008113761A publication Critical patent/RU2008113761A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2386819C2 publication Critical patent/RU2386819C2/en

Links

Images

Landscapes

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

Abstract

FIELD: power industry.
SUBSTANCE: in energy conversion method with regeneration of energy sources in the cyclic process, non-separated gasification products are supplied to the engine - the first working medium at the expansion of which in the engine the heat and kinetic energy of mixture is converted to mechanical energy, and the first waste working medium cooled in the engine is divided into hydrogen, carbon oxide and by-products if any; at that, separated hydrogen and carbon oxide is supplied to reactor-methanator in which during catalytic reaction there obtained is methane steam mixture - the second working medium which is supplied to the second circuit of the engine or to the other engine where it converts mixture energy during expansion to mechanical energy, and waste methane steam mixture in the engine and by-products are returned to gasification or conversion reactor in which mixture of hydrogen and carbon oxide is obtained again; at that, the cycle is completed.
EFFECT: invention allows reducing fuel consumption for energy generation and increasing efficiency coefficient of the process.
4 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, а конкретно к преобразованию энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом 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 energy conversion with the regeneration of energy in a cyclic process in the processing of carbon-containing raw materials, including gases, industrial and household waste, in order to obtain commercial energy and / or commercial chemical products on an industrial scale, using exothermic cyclic processes, gasification of solid or liquid feedstocks or conversion (reforming) of gaseous hydrocarbon feedstocks, followed by re-gasification or non-target conversion products and regeneration of the obtained compounds to reuse in the cyclic process.

Циклические процессы распространены в природе и широко используются в промышленности. К ним можно отнести, например, круговорот воды и углерода в природе, восстановление объема биомассы [1, т.3, С 280-281], промышленное производство мочевины, серной кислоты, процессы абсорбции и адсорбции, всевозможные циклические режимы в химической технологи, фотохимические процессы и многие другие [1, т.1. С 11-14, С 62, С 785, т.4, С 647, т.5, С 715-719]. Не менее широко используются в промышленности процессы регенерации различных веществ и материалов, например переработка макулатуры и изношенных текстильных изделий, передел металлолома и другие.Cyclic processes are common in nature and are widely used in industry. These include, for example, the cycle of water and carbon in nature, the restoration of biomass volume [1, v.3, C 280-281], the industrial production of urea, sulfuric acid, absorption and adsorption processes, all kinds of cyclic modes in chemical technology, photochemical processes and many others [1, t.1. C 11-14, C 62, C 785, v. 4, C 647, v. 5, C 715-719]. No less widely used in industry are the processes of regeneration of various substances and materials, for example, recycling of waste paper and worn textiles, redistribution of scrap metal and others.

В энергетике популярны процессы регенерации тепла и рабочего тела паровых турбин. Процессы регенерации энергоносителей (топлива) в промышленном масштабе реализуются лишь в атомной энергетике, однако отработанное ядерное топливо частично регенерируется на специализированных предприятиях и затем транспортируется к месту повторного использования специальными транспортными средствами.In the energy sector, the processes of heat recovery and the working fluid of steam turbines are popular. The processes of regeneration of energy carriers (fuels) on an industrial scale are realized only in nuclear energy, however, spent nuclear fuel is partially regenerated at specialized enterprises and then transported to the place of reuse by special vehicles.

Вместе с тем, энергия и вещества, выделяемые в циклических процессах с регенерацией энергоносителей, как это следует из известного уровня техники, не использовались ранее для осуществления работы тепловых двигателей, несмотря на то, что их использование существенно уменьшило бы расход топлива и повысило бы КПД процессов в целом.At the same time, the energy and substances released in cyclic processes with the regeneration of energy carriers, as follows from the prior art, were not previously used for the operation of heat engines, despite the fact that their use would significantly reduce fuel consumption and increase process efficiency generally.

Наиболее известным и 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 горения в механическую происходит в тепловом двигателе. Регенерация энергоносителя (топлива) в двигателе в обозримом будущем бесперспективна.The most famous and common way to obtain mechanical energy by processing carbon-containing raw materials is to burn it. 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 combustion energy into mechanical energy occurs in a heat engine. The regeneration of energy (fuel) in the engine in the foreseeable future is unpromising.

Известен также способ преобразования химической энергии, полученной в циклическом термохимическом процессе, в механическую энергию с регенерацией рабочего тела двигателя за счет утилизации рассеиваемой тепловой энергии промышленных предприятий (газовые гидраты углеводородных газов, гидриды металлов и сплавов, перекись водорода) или источника ионизирующего излучения (вода), или высокотемпературного источника тепла (смесь водорода и оксида углерода), 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).There is also a method of converting chemical energy obtained in a cyclic thermochemical process into mechanical energy with regeneration of the working fluid of the engine by utilizing the dissipated thermal energy of industrial enterprises (gas hydrates of hydrocarbon gases, hydrides of metals and alloys, hydrogen peroxide) or a source of ionizing radiation (water) or a high-temperature heat source (a mixture of hydrogen and carbon monoxide), according to which a mixture of hydrogen and carbon monoxide in a molar ratio of 3: 1 is supplied from the container in the methanator reactor, wherein a mixture of methane and steam (working fluid) during the catalytic reaction and supplied to the engine, resulting in expansion of the mixture produced mechanical energy. 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, сократить расход топлива на выработку энергии и увеличить КПД процесса преобразования энергии, в случае когда двигатель является составной частью атомной электростанции или технологической установки, производящей заданную продукцию, однако и он обладает следующими недостатками:This method allows significantly, compared with the known ones, to reduce fuel consumption for energy production and increase the efficiency of the energy conversion process, in the case when the engine is an integral part of a nuclear power plant or a technological plant producing a given product, 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 cyclicity of the process, an independent, high-temperature source of thermal energy is required, which ensures the flow 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 the immediate vicinity of 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.

Наиболее близким к заявляемому способу преобразования энергии по технической сущности и достигаемому в процессе его реализации техническому результату является способ преобразования энергии, выделяющейся в экзотермическом процессе, 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, при этом 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 К до 1400 К и давлении 0,6-20,0 МПа, при этом в качестве двигателя используют или роторный двигатель, или поршневой двигатель, или роторно-поршневой двигатель, или турбину, а работу упомянутых реакторов и двигателя осуществляют без выброса газообразных продуктов в окружающую среду, причем при малом количестве расходуемого исходного сырья, обеспечивают любую заданную мощность двигателя за счет накопления водорода и оксида углерода, а процесс работы двигателя на исходном углеродсодержащем сырье осуществляют без сжигания этого сырья, при этом при определенной температуре, определяемой свойствами катализатора, термическую конверсию отработанного метана осуществляют без потребления кислорода, а для газификации водных смесей углеродсодержащего сырья используют плазмотрон в виде плазменной горелки, причем при утилизации исходного сырья наряду с энергией производят заданную химическую продукцию (заявка на изобретение Российской Федерации №2005140383/06, МПК F01К 23/04, 2005).Closest to the claimed method of energy conversion according to the technical essence and the technical result achieved during its implementation is a method of converting the energy released in the exothermic process into mechanical work, including the supply of raw materials to the first reactor, the interaction of the components of the raw materials in the exothermic process, as a result of which hydrogen and carbon monoxide are formed, which are fed to a methanator reactor, in which they form a working medium through a catalytic reaction - meta vapor-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 supply to the first reactor, while 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 K to 1400 K and a pressure of 0.6-20.0 MPa, while the engine is used or a rotary engine, or a piston engine, or a rotary piston engine, or a turbine, and the operation of the aforementioned reactors and the engine is carried out without the release of gaseous products into the environment, and with a small amount of consumed feedstock, they provide any given engine power due to the accumulation of hydrogen and carbon monoxide, and the engine operation process on the carbon-containing feedstock is carried out without burning this feedstock, while at a certain temperature determined by the properties of the catalyst, The spent methane is converted directly without oxygen consumption, and a plasma torch in the form of a plasma torch is used for gasification of aqueous mixtures of carbon-containing raw materials; moreover, when utilizing the raw materials, the desired chemical products are produced along with energy (application for invention of the Russian Federation No. 2005140383/06, IPC F01K 23 / 04, 2005).

В известном техническом решении удалось существенно повысить ряд технических характеристик, устранить присущие способу недостатки, выявившиеся в процессе практической реализации изобретения. Вместе с тем, в процессе преобразования энергии в механическую работу не используются:In the known technical solution, it was possible to significantly increase a number of technical characteristics, to eliminate the inherent disadvantages of the method, revealed in the process of practical implementation of the invention. However, in the process of converting energy into mechanical work are not used:

- энергия и газы, выделяющиеся при конверсии или газификации исходного сырья;- energy and gases released during the conversion or gasification of the feedstock;

- для преобразования энергии в механическую работу используется не более 20% выделившейся в реакторах энергии;- no more than 20% of the energy released in the reactors is used to convert energy into mechanical work;

- для преобразования энергии в механическую работу не используются энергия и газы, выделяющиеся в реакторах синтеза целевых химических соединений;- to convert energy into mechanical work, the energy and gases released in the synthesis reactors of the target chemical compounds are not used;

- плазмохимическая конверсия или газификация сырья предусмотрена только для переработки водных смесей и не предусмотрена для переработки других видов сырья, хотя в ряде случаев позволяет исключить использование кислорода, дополнительной воды, сократить номенклатуру и количество расходуемых катализаторов;- plasmochemical conversion or gasification of raw materials is provided only for the processing of water mixtures and is not intended for the processing of other types of raw materials, although in some cases it eliminates the use of oxygen, additional water, reduces the range and amount of spent catalysts;

- аппаратурная реализация способа не предусматривает конверсию метана в водород и оксид углерода в двигателе, причем реактор газификации постоянно связан с двигателем, что увеличивает производительность и размеры блока очистки и разделения газов.- hardware implementation of the method does not provide for the conversion of methane to hydrogen and carbon monoxide in the engine, and the gasification reactor is constantly connected to the engine, which increases the productivity and size of the gas purification and separation unit.

Задача, положенная в основу заявляемого изобретения, заключается в создании способа преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом 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 of converting energy with the regeneration of energy in a cyclic process in 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 above-mentioned technical solutions representing prior art.

Технический результат, достигаемый при реализации предложенного способа, заключается в существенном увеличении эффективности преобразования энергии химического процесса в механическую энергию, в сокращении расхода воды, кислорода и катализаторов на газификацию и конверсию газов в контурах двигателей.The technical result achieved by the implementation of the proposed method is to significantly increase the efficiency of converting the energy of a chemical process into mechanical energy, to reduce the consumption of water, oxygen and catalysts for gasification and gas conversion in the engine circuits.

Задача, положенная в основу заявляемого изобретения, с достижением указанного выше технического результата, решается тем, что в известном способе преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе, включающем подачу подготовленного сырья в реактор газификации или конверсии, в котором его газифицируют или конвертируют в автотермическом или термическом режиме с образованием водорода, оксида углерода и, возможно, сопутствующих продуктов, отделение сопутствующих продуктов, когда они образуются, подачу смеси водорода и оксида углерода в реактор-метанатор, в котором образуется смесь метана и водяного пара - рабочее тело, подачу этой смеси в двигатель с последующим ее расширением и преобразованием в механическую энергию, в соответствии с изобретением, в двигатель подают образовавшиеся неразделенные продукты газификации - первое рабочее тело, при расширении которого в двигателе преобразуются тепловая и кинетическая энергия смеси в механическую энергию, а отработанное и охлажденное в двигателе, первое рабочее тело, разделяют на водород, оксид углерода и сопутствующие продукты, если последние образуются, при этом отделенные водород и оксид углерода подают в реактор-метанатор двигателя, где в каталитическом процессе образуется метанопаровая смесь - второе рабочее тело, которое также подают во второй контур упомянутого двигателя или в другой двигатель, где оно в процессе расширения также преобразует энергию смеси в механическую энергию, а отработанную метанопаровую смесь и сопутствующие продукты возвращают в реактор газификации или конверсии, в котором вновь образуется смесь водорода и оксида углерода, при этом цикл замыкается;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 energy with the regeneration of energy in a cyclic process, comprising supplying the prepared raw materials to a gasification or conversion reactor, in which it is gasified or converted into an autothermal or thermal regime with the formation of hydrogen, carbon monoxide and possibly related products, separation of related products when they are formed, feeding the mixture into of hydrogen and carbon monoxide into a methanator reactor, in which a mixture of methane and water vapor is formed - the working fluid, feeding this mixture into the engine with its subsequent expansion and conversion into mechanical energy, in accordance with the invention, the formed inseparable gasification products are fed into the engine - the first the working fluid, during the expansion of which the thermal and kinetic energy of the mixture is converted into mechanical energy in the engine, and the spent and cooled in the engine, the first working fluid is separated into hydrogen, carbon oxide kind and related products, if the latter are formed, while the separated hydrogen and carbon monoxide are fed into the reactor methanator of the engine, where in the catalytic process a methane-vapor mixture is formed - the second working fluid, which is also fed to the second circuit of the said engine or to another engine, where it during the expansion process, it also converts the energy of the mixture into mechanical energy, and the spent methane-vapor mixture and associated products are returned to the gasification or conversion reactor, in which the water-water mixture is again formed kind and carbon monoxide, while the cycle closes;

- а также тем, что газификация или конверсия сырья осуществляется в плазмохимическом или плазмокаталитическом режиме, при этом плазмообразующим веществом в плазмохимическом или плазмокаталитическом реакторе является вода или диоксид углерода или смесь воды с диоксидом углерода;- and also the fact that the gasification or conversion of the feedstock is carried out in a plasma-chemical or plasma-catalytic mode, while the plasma-forming substance in the plasma-chemical or plasma-catalytic reactor is water or carbon dioxide or a mixture of water with carbon dioxide;

- а также тем, что в смеси водорода и оксида углерода, а также метана и водяного пара, для утилизации избыточной тепловой энергии добавляют благородный газ или смеси благородных газов.- and also by the fact that in the mixture of hydrogen and carbon monoxide, as well as methane and water vapor, a noble gas or a mixture of noble gases are added to utilize the excess thermal energy.

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, 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 (with efficiency up to 95%) production of chemical products and energy, in the case of the creation of energy-chemical enterprises, without emissions of gaseous polluting products 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, а затем регенерируется путем образования метана или других соединений в каталитическом экзотермическом режиме.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, and then is regenerated by the formation of methane or other compounds in a catalytic exothermic mode.

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.

В качестве сырья для переработки может быть использовано любое органическое или неорганическое содержащее углерод сырье или сырье с добавкой углерода или углеводорода, переработка которого экономически целесообразна, например соленая морская вода, или необходима по экологическим соображениям (больничные отходы, трупы больных животных, пропитанная нефтепродуктами или токсичными веществами почва, отвалы углеобогатительных производств, смесь воды и нефтепродуктов или иных углеводородов, нефтешламы, газы и смеси газов, содержащие углеводороды и оксид или диоксид углерода, торф, сланцы, бурые и каменные угли, асфальт, природные и технологические газы, карбонаты, нефтепродукты, сырая нефть и т.п.Any organic or inorganic carbon-containing raw materials or raw materials with the addition of carbon or hydrocarbon, the processing of which is economically feasible, for example, salt water, or is necessary for environmental reasons (hospital waste, corpses of sick animals, impregnated with oil products or toxic soil, dumps of coal processing plants, a mixture of water and oil products or other hydrocarbons, oil sludge, gases and gas mixtures containing coal odorody and oxide or carbon dioxide, peat, shale, peat and coals, bitumen, natural and industrial gases, carbonates, petroleum, crude oil, etc.

Предложенный способ, в самом общем виде, реализуется следующим образом. Предварительно подготовленное 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. Pre-prepared solid or liquid raw materials containing carbon or hydrocarbons are 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;

- образовавшиеся неразделенные продукты газификации - первое рабочее тело, подают в двигатель, где они, расширяясь, преобразует тепловую и кинетическую энергию поступившей смеси в механическую энергию;- formed undivided gasification products - the first working fluid, is fed into the engine, where they expand, converts the thermal and kinetic energy of the mixture into mechanical energy;

- отработанное и охлажденное в двигателе первое рабочее тело разделяют на водород, оксид углерода и сопутствующие продукты, если они образуются;- spent and cooled in the engine, the first working fluid is divided into hydrogen, carbon monoxide and related products, if they are formed;

- водород и оксид углерода подают в реактор-метанатор, где они 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 fed to a methanator reactor, where they 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 methane-vapor mixture;

- образовавшуюся метанопаровую смесь - второе рабочее тело, подают во второй контур упомянутого двигателя или в другой двигатель, где оно, расширяясь, преобразует тепловую и кинетическую энергию поступившей смеси в механическую энергию;- the resulting methane-vapor mixture — the second working fluid — is fed into the second circuit of the aforementioned engine or into another engine, where it expands and converts the thermal and kinetic energy of the incoming mixture into mechanical energy;

- отработанную метанопаровую смесь и сопутствующие продукты - газы (кроме азота), жидкости, пыль и, возможно, сажу - возвращают в реактор газификации или конверсии, в котором вновь образуется смесь газов, состоящая из водорода и оксида углерода, то есть цикл замыкается;- the spent methane-vapor mixture and associated products - gases (except nitrogen), liquids, dust, and possibly soot - are returned to the gasification or conversion reactor, in which the gas mixture again consists of hydrogen and carbon monoxide, 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 (в ряде случаев целесообразно к рабочему телу добавлять благородные газы или смеси благородных газов, нагрев которых уменьшает температуру рабочего тела на входе в двигатель);- excess heat energy released in the reactors and supplied to the gas purification and separation unit is utilized in waste heat boilers, steam enters the turbines, and hot water enters the heating system (in some cases it is advisable to add noble gases or mixtures of noble gases to the working fluid, heating which reduces the temperature of the working fluid at the engine inlet);

- в случае конверсии какой-то части водорода и оксида углерода не конвертированная 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 газификации или конверсии, то есть цикл замыкается;- the part of hydrogen and carbon monoxide that did not react during the synthesis and the associated non-target products are sent to the gasification or conversion reactor, that is, the cycle closes;

- отделенный азот фасуется или, если он выделяется в незначительном количестве, возвращается в окружающую среду;- the separated nitrogen is packed up or, if it is emitted in a small amount, is returned to the environment;

- твердые остеклованные шлаки используются в строительстве или подлежат захоронению в установленном порядке.- solid vitrified slags are used in construction or must be disposed of in the prescribed manner.

- в установках большой мощности для более полного преобразования выделившейся в реакторах энергии в механическую энергию в качестве рабочих тел в двигателях могут использоваться пары легкокипящих жидкостей, получаемые в паровых котлах или теплообменных аппаратах, встроенных в реакторы и блоки разделения газов.- in large-capacity plants, for a more complete conversion of the energy released in reactors into mechanical energy, steam of low-boiling liquids obtained in steam boilers or heat exchangers built into reactors and gas separation units can be used as working fluids in engines.

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 оптимальных из множества возможных практических реализаций заявленного способа.Below are examples that are not limitations of the claimed method, but only show a few of the many possible practical implementations of the claimed method.

Пример 1Example 1

Перерабатываемое сырье - очищенный природный газ или баллонный газ (пропан или смесь пропана с бутаном или смесь других газов). Следует отметить, что это один из самых простых и дешевых вариантов реализации предлагаемого способа. Такие установки малой мощности могут использоваться на транспортных средствах. Схема процесса представлена на фиг.1. Способ реализуется следующим образом.Processed raw materials - purified natural gas or bottled gas (propane or a mixture of propane with butane or a mixture of other gases). It should be noted that this is one of the simplest and cheapest options for implementing the proposed method. Such low power installations can be used on vehicles. The process diagram is presented in figure 1. The method is implemented as follows.

Газ из хранилища или баллона подают в блок реакторов конверсии 1, в котором происходит каталитическая экзотермическая конверсия газа при температуре 783-2473 К с образованием водорода, оксида углерода и незначительных количеств других газов. Образовавшиеся газы - первое рабочее тело, поступают в первый контур двигателя 2 (фиг.1) или отдельный двигатель 2 (фиг.1a), где они, расширяясь, преобразуют тепловую и кинетическую энергию газов в механическую энергию, и из двигателя 2 без разделения подаются в реактор метанатор 3, в котором происходит каталитическая экзотермическая реакция между водородом и оксидом углерода с образованием метанопаровой смеси. Процесс проводят по одной из известных технологий при давлении от 0,5 до 20 МПа, при этом развивается температура до 1400 К. Метанопаровая смесь - второе рабочее тело, поступает во второй контур двигателя 2а (фиг.1) или отдельный двигатель 4 (фиг.1a), расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию. Отработанная смесь вновь подается в блок реакторов конверсии 1 для повторной конверсии. Цикл замыкается.Gas from the storage or cylinder is fed to conversion unit 1, in which the catalytic exothermic conversion of gas takes place at a temperature of 783-2473 K with the formation of hydrogen, carbon monoxide and minor amounts of other gases. The gases formed - the first working fluid, enter the first circuit of engine 2 (Fig. 1) or a separate engine 2 (Fig. 1a), where they expand, convert the thermal and kinetic energy of gases into mechanical energy, and are supplied without separation from engine 2 into the reactor, a methanator 3, in which a catalytic exothermic reaction between hydrogen and carbon monoxide takes place to form a methane-vapor mixture. The process is carried out according to one of the known technologies at a pressure of from 0.5 to 20 MPa, while the temperature develops up to 1400 K. The methanopar mixture - the second working fluid, enters the second circuit of engine 2a (Fig. 1) or a separate engine 4 (Fig. 1a), expands and converts the thermal and kinetic energy of the mixture into mechanical energy. The spent mixture is again fed into the block of conversion reactors 1 for re-conversion. The cycle closes.

При большом количестве перерабатываемого сырья, например неочищенные нефтяные попутные газы, технологическая схема процесса (фиг.1б) дополняется блоком реакторов синтеза заданной химической продукции 5, блоком очистки и разделения газов 8, а все реакторы целесообразно оборудовать котлами-утилизаторами 6 и дополнительными паровыми турбинами 7 (фиг.1б) или добавлять в смеси продуктов конверсии благородные газы или смеси благородных газов.With a large amount of processed raw materials, for example, crude petroleum associated gases, the process flow diagram (Fig. 1b) is supplemented by a synthesis reactor unit for a given chemical product 5, a gas purification and separation unit 8, and it is advisable to equip all the reactors with waste heat boilers 6 and additional steam turbines 7 (figb) or add noble gases or noble gas mixtures to the mixture of conversion products.

Теоретически в этом процессе расходуются кислород и незначительное количество воды для запуска установки, а также катализаторы, которые деактивируются в процессе работы и подлежат периодической замене или регенерации. Расход кислорода для запуска процесса составляет до 0,5-0,6 м3 на 1 м3 газа (в зависимости от состава газа), расход водяного пара - до 0,8 кг на 1 кг газа.Theoretically, this process consumes oxygen and a small amount of water to start the installation, as well as catalysts that are deactivated during operation and are subject to periodic replacement or regeneration. The oxygen consumption for starting the process is up to 0.5-0.6 m 3 per 1 m 3 of gas (depending on the composition of the gas), the flow rate of water vapor is up to 0.8 kg per 1 kg of gas.

Поскольку процесс конверсии метана обратим, в качестве перерабатываемого газа можно использовать смесь водорода и оксида углерода, полученную в стационарных условиях (на металлургических, нефтеперерабатывающих или химических предприятиях). Схема одного из возможных вариантов реализации такого процесса изображена на фиг.1в.Since the methane conversion process is reversible, a mixture of hydrogen and carbon monoxide obtained under stationary conditions (at metallurgical, oil refining, or chemical enterprises) can be used as a processed gas. A diagram of one of the possible embodiments of such a process is depicted in FIG.

Смесь газов из баллонов или хранилища подают в реактор метанатор 3, в котором происходит образование смеси метана и водяного пара. Из реактора упомянутая смесь поступает в двигатель 4, где она расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию, а из двигателя 4 - в блок реакторов конверсии 1, в котором метанопаровая смесь вновь превращается в смесь водорода и оксида углерода, которые подают в двигатель 2, где она расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию, а из двигателя 2 отработанную смесь возвращают в реактор метанатор 3. Цикл замыкается.A mixture of gases from cylinders or storage is fed to the reactor methanator 3, in which a mixture of methane and water vapor is formed. From the reactor, the mixture is transferred to engine 4, where it expands and converts the thermal and kinetic energy of the mixture into mechanical energy, and from engine 4 to the block of conversion reactors 1, in which the methane-vapor mixture is again converted into a mixture of hydrogen and carbon monoxide, which are fed into engine 2, where it expands and converts the thermal and kinetic energy of the mixture into mechanical energy, and from engine 2 the spent mixture is returned to the methanator reactor 3. The cycle closes.

Расчет тепловой мощности двигателя, работающего по приведенному на схемах 1, 1a, 1б, 1в методу преобразования энергии можно произвести по формулеCalculation of the thermal power of an engine operating according to the method of energy conversion shown in schemes 1, 1a, 1b, 1c can be performed by the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где N - мощность двигателя, Вт;where N is the engine 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 - температура рабочего тела на входе в двигатель, К;T is the temperature of the working fluid at the engine inlet, K;

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

pвых - давление парогазовой смеси на выходе из двигателя, Па;p o - pressure of the gas mixture at the outlet of the engine, Pa;

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

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

- тип двигателя - в качестве двигателя используется турбина;- engine type - a turbine is used as an engine;

- pвх=10 МПа - давление парогазовой и газовой смесей на входе в турбины;- p I = 10 MPa - pressure of gas-vapor and gas mixtures at the inlet of the turbine;

- рвых=0,1 МПа - давление парогазовой и газовой смесей на выходе из турбин;- p o = 0.1 MPa - pressure of gas-vapor and gas mixtures at the outlet of the turbines;

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

- µm=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;

- Сp,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 р=10МПа;- 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;

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

Figure 00000002
- показатель адиабаты для метанопаровой смеси;
Figure 00000002
- adiabatic exponent for methane-vapor mixture;

- К=340 - показатель адиабаты для смеси водорода и оксида углерода;- K = 340 - adiabatic index for a mixture of hydrogen and carbon monoxide;

- R=976,5 Дж/(кг.К) - удельная газовая постоянная смеси водорода и оксида углерода.- R = 976.5 J / (kg.K) - specific gas constant of a mixture of hydrogen and carbon monoxide.

Принимая расход рабочего тела n=1 кг/с, получаем тепловую мощность двигателя (двигателей) N=6,10МВт, а в прототипе - 2,35МВт.Taking the flow rate of the working fluid n = 1 kg / s, we obtain the thermal power of the engine (s) N = 6.10 MW, and in the prototype 2.35 MW.

Температура отработанных газов определяется по формуле:The temperature of the exhaust gas is determined by the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

Для смеси водорода и оксида углерода она равна 445 К, для метанопаровой смеси - 780 К. Если процесс каталитической конверсии метана проводить при температуре более 783 К, то при давлении более 0,12 МПа отработанная смесь газов будет иметь указанную температуру. В этом случае не требуется расходовать кислород и достаточно будет ограничиться паровой каталитической конверсией, т.к. необходимую температуру в реакторе будут обеспечивать отработанные газы.For a mixture of hydrogen and carbon monoxide, it is 445 K, for a methane-vapor mixture it is 780 K. If the catalytic conversion of methane is carried out at a temperature of more than 783 K, then at a pressure of more than 0.12 MPa, the exhaust gas mixture will have the indicated temperature. In this case, it is not necessary to consume oxygen and it will be sufficient to limit ourselves to steam catalytic conversion, since the necessary temperature in the reactor will provide the exhaust gases.

После запуска этого процесса расходным материалом будет только катализатор, который деактивируется в процессе эксплуатации. Водяной пар и природный газ будут расходоваться лишь для компенсации возможных утечек.After starting this process, only the catalyst that is deactivated during operation will be the consumable. Water vapor and natural gas will be consumed only to compensate for possible leaks.

При вышеприведенных параметрах процесса и давлении газов после турбины 0,12 МПа мощность двигателя будет равна 5,74 МВт, а в прототипе 1,46 МВт.With the above process parameters and the gas pressure after the 0.12 MPa turbine, the engine power will be 5.74 MW, and in the prototype 1.46 MW.

Количество энергии, выделенной в химическом процессе в реакторах, можно определить из реакций:The amount of energy released in a chemical process in reactors can be determined from the reactions:

CO+3H2→CH4+H2O+206,2 кДж/моль;CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O + 206.2 kJ / mol;

CH4+0,5O2→CO+2H2+34 кДж/моль;CH 4 + 0.5O 2 → CO + 2H 2 +34 kJ / mol;

CH4+2O2=CO2+2H2O+882 кДж/моль.CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + 882 kJ / mol.

Учитывая, что в последней реакции расходуется не более 4% реагентов, суммарная тепловая мощность, выделяемая в реакторах, составляет 12,12+2,512+2,2=16,442 МВт. Внутренний термический КПД циклического процесса составляет 0,790, а в прототипе - 0,165.Considering that in the last reaction no more than 4% of the reagents are consumed, the total heat output in the reactors is 12.12 + 2.512 + 2.2 = 16.442 MW. The internal thermal efficiency of the cyclic process is 0.790, and in the prototype - 0.165.

При использовании водогрейного котла мощность увеличится на 1,055 МВт и тогда КПД для мощности 6,1 МВт составит 0,853.When using a hot water boiler, the capacity will increase by 1,055 MW and then the efficiency for the capacity of 6.1 MW will be 0.853.

При большом объеме перерабатываемого газа метод реализуется по схеме, показанной на фиг.1б, основой для которой используется схема, приведенная на фиг.1а, которая в этом случае дополняется блоком синтеза заданной продукции 5, паровыми котлами 6 с пароперегревателями и турбогенератором 7, Непрореагировавшие газы и нецелевые продукты возвращаются из блока синтеза заданной продукции 5 на конверсию в блок реакторов конверсии 1, например, через расширительную турбину (не показана), что в итоге обеспечивает получение дополнительной энергии. При такой схеме реализации изобретения, наряду с электроэнергией, будет производиться заданная химическая продукция, например, метиловый спирт в количестве 1,015 кг на 1 норм. м3 газа или этиловый спирт, или дизельное топливо, или другие продукты. КПД процесса производства метилового спирта, определенный по количеству энергии, заключенной в полученной продукции, с учетом затрат произведенной энергии на привод вспомогательных механизмов блока реакторов синтеза 5 составляет 0,960. Перерабатываемое сырье на производство энергии не расходуется.With a large volume of processed gas, the method is implemented according to the scheme shown in Fig. 1b, the basis for which is the scheme shown in Fig. 1a, which in this case is supplemented by a synthesis unit for a given product 5, steam boilers 6 with superheaters and a turbogenerator 7, Unreacted gases and non-target products are returned from the synthesis unit of the desired product 5 for conversion to the conversion reactor unit 1, for example, through an expansion turbine (not shown), which ultimately provides additional energy. With this scheme of implementation of the invention, along with electricity, a given chemical product will be produced, for example, methyl alcohol in an amount of 1.015 kg per 1 norm. m 3 gas or ethyl alcohol, or diesel fuel, or other products. The efficiency of the production process of methyl alcohol, determined by the amount of energy contained in the resulting product, taking into account the costs of the energy generated to drive the auxiliary mechanisms of the synthesis reactor unit 5, is 0.960. Processed raw materials are not consumed for energy production.

Пример 2Example 2

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

Сырье, после соответствующей подготовки по одной из известных технологий, загружается в блок реакторов газификации 1 (фиг.2), предназначенный для переработки твердого или жидкого сырья, в котором происходит его газификация под действием кислорода, или пара и кислорода, или плазмы. Полученный в процессе упомянутой газификации газ, состоящий в основном из водорода и оксида углерода, подается в двигатель 2, где он расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию. Отработанную в двигателе смесь газов разделяют в блоке разделения 8, водород и оксид углерода подают в реактор метанатор 3, в котором происходит каталитическая экзотермическая реакция между водородом и оксидом углерода с образованием смеси метана и водяного пара. Отделенные продукты возвращаются в блок реакторов газификации 1, а метанопаровую смесь подают во второй двигатель 4, где она расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию. Из двигателя 4 отработанная смесь поступает в блок реакторов газификации 1, в котором вновь превращается в водород и оксид углерода. Цикл замыкается.The raw material, after appropriate preparation according to one of the known technologies, is loaded into the gasification reactor block 1 (Fig. 2), intended for processing solid or liquid raw materials, in which it is gasified by oxygen, or steam and oxygen, or plasma. The gas obtained in the process of gasification, consisting mainly of hydrogen and carbon monoxide, is supplied to the engine 2, where it expands and converts the thermal and kinetic energy of the mixture into mechanical energy. The mixture of gases worked out in the engine is separated in the separation unit 8, hydrogen and carbon monoxide are fed to the methanator reactor 3, in which a catalytic exothermic reaction between hydrogen and carbon monoxide takes place to form a mixture of methane and water vapor. The separated products are returned to the gasification reactor block 1, and the methane-vapor mixture is fed to the second engine 4, where it expands and converts the thermal and kinetic energy of the mixture into mechanical energy. From engine 4, the spent mixture enters the gasification reactor block 1, in which it again turns into hydrogen and carbon monoxide. The cycle closes.

При постоянной переработке сырья, если вырабатываемая энергия потребляется в ограниченных количествах, водород и оксид углерода можно подавать в блок реакторов синтеза 5 (фиг.2а), минуя реактор метанатор 3 и двигатель 4. В блоке реакторов синтеза 5 происходит синтез заданных химических соединений, которые складируются, а нецелевые продукты и продувочные газы через двигатель 9 возвращаются в реактор газификации 1.With constant processing of raw materials, if the generated energy is consumed in limited quantities, hydrogen and carbon monoxide can be fed into the synthesis reactor block 5 (Fig. 2a), bypassing the methanator reactor 3 and engine 4. In the synthesis reactor block 5, the synthesis of the specified chemical compounds takes place, which are stored, and non-target products and purge gases through the engine 9 are returned to the gasification reactor 1.

Для полного использования энергии, выделенной в данном цикле, все реакторы и блок очистки и разделения газов 8 могут быть снабжены паровыми котлами 6 с пароперегревателями (фиг.2а). Полученный в паровых котлах пар подается в паровую турбину 7, обеспечивая выработку дополнительной энергии.To make full use of the energy released in this cycle, all reactors and the gas purification and separation unit 8 can be equipped with steam boilers 6 with superheaters (Fig. 2a). The steam obtained in steam boilers is supplied to a steam turbine 7, providing the generation of additional energy.

В транспортном варианте реализации силовой установки (например, тепловозные или корабельные) из приведенной на фиг.2а схемы процесса исключаются: блок реакторов синтеза 5, паровые котлы 6 и двигатель 7, а отработанную в двигателе 4 метанопаровую смесь подают непосредственно в блок реакторов газификации 1. Для полного преобразования тепловой энергии, выделенной в реакторах, в механическую энергию и для снижения температуры рабочего тела на входе в двигатели вместо паровых котлов к продуктам газификации можно добавлять благородные газы или смеси благородных газов, например смесь аргона и гелия или другие смеси.In the transport embodiment of the power plant implementation (for example, diesel or ship) from the process diagram shown in Fig. 2a, the synthesis reactor block 5, steam boilers 6 and engine 7 are excluded, and the methane-steam mixture spent in engine 4 is fed directly to the gasification reactor block 1. To completely convert the thermal energy released in the reactors into mechanical energy and to reduce the temperature of the working fluid at the inlet of the engines, instead of steam boilers, noble gases can be added to the gasification products or impurity noble gases such as argon and helium mixture or other mixture.

Приведенный в данном примере один из возможных вариантов реализации заявленного способа позволяет перерабатывать от нескольких килограммов до нескольких десятков тысяч тонн сырья в сутки. В зависимости от вида перерабатываемого сырья количество получаемого газа (водород и оксид углерода) 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 implementations of the claimed method allows you to process from several kilograms to several tens of thousands of tons of raw materials per day. Depending on the type of processed raw materials, the amount of gas produced (hydrogen and carbon monoxide) ranges from 1-1.5 m 3 / kg for low-grade brown coal and household waste, up to 3-3.5 m 3 / kg for fuel oil, oil residues and crude oil.

Если описанный в данном примере способ используется для переработки постоянно поступающих отходов или другого сырья, то необходимо выпускать химическую продукцию, поскольку иным способом нельзя предотвратить выброс газообразных продуктов в атмосферу.If the method described in this example is used for processing constantly incoming waste or other raw materials, it is necessary to produce chemical products, since in another way it is impossible to prevent the release of gaseous products into the atmosphere.

Расчет мощности двигателя можно провести по формуле, приведенной в примере 1. Перерабатываемое сырье - прессованные опилки. Расход пара на газификацию составляет 0,4 кг на 1 кг опилок, расход кислорода - 0,3 кг на 1 кг опилок.The calculation of engine power can be carried out according to the formula given in example 1. The processed raw materials are pressed sawdust. Steam consumption for gasification is 0.4 kg per 1 kg of sawdust, oxygen consumption is 0.3 kg per 1 kg of sawdust.

Принимаем следующие исходные данные для проведения расчета:We accept the following initial data for the calculation:

- выход метилового спирта (метанола) - 0,492 кг на 1 кг опилок;- the yield of methyl alcohol (methanol) is 0.492 kg per 1 kg of sawdust;

- энтальпия сгорания метилового спирта - 22,3 МДж/кг;- enthalpy of combustion of methyl alcohol - 22.3 MJ / kg;

- энтальпия сгорания прессованных опилок - 19,4 МДж/кг- enthalpy of combustion of pressed sawdust - 19.4 MJ / kg

- температура процесса газификации - 2073 - 2173 K;- gasification process temperature - 2073 - 2173 K;

- давление на выходе из блока реакторов газификации - 8 МПа;- pressure at the outlet of the gasification reactor block - 8 MPa;

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

- давление на выходе из реактора метанатора-10 МПа;- pressure at the outlet of the methanator reactor-10 MPa;

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

- температура на выходе из реактора синтеза метанола - 543 К;- the temperature at the outlet of the methanol synthesis reactor 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 в системе низкого давления - 1,2 МПа;- vapor pressure in the low pressure system - 1.2 MPa;

- количество газа, образующегося при газификации - 1,95 кг на 1 кг опилок;- the amount of gas generated during gasification is 1.95 kg per 1 kg of sawdust;

- количество непрореагировавших продувочных газов в реакторе синтеза метанола - 0,54 кг на 1 кг опилок;- the amount of unreacted purge gases in the methanol synthesis reactor is 0.54 kg per 1 kg of sawdust;

- количество острого пара на паровую турбину при газификации угля - 0,94 кг на 1 кг опилок;- the amount of sharp steam to a steam turbine during coal gasification - 0.94 kg per 1 kg of sawdust;

- количество пара промежуточного перегрева на паровую турбину при газификации опилок - 0,84 кг на 1 кг опилок;- the amount of intermediate overheating steam to a steam turbine during gasification of sawdust - 0.84 kg per 1 kg of sawdust;

- количество пара низкого давления на паровую турбину при газификации опилок - 1,28 кг на 1 кг опилок.- the amount of low pressure steam to a steam turbine during gasification of sawdust - 1.28 kg per 1 kg of sawdust.

Получены следующие результаты расчета:The following calculation results were obtained:

- количество электроэнергии, вырабатываемой паровой турбиной при газификации 1 кг опилок - 0,70 кВт·ч;- the amount of electricity generated by a steam turbine during gasification of 1 kg of sawdust - 0.70 kW · h;

- количество электроэнергии, вырабатываемой основными двигателями при газификации 1 кг опилок - 1,23 кВт·ч;- the amount of electricity generated by the main engines during gasification of 1 kg of sawdust - 1.23 kWh;

- суммарное количество энергии, вырабатываемой всеми турбинами, в результате газификации 1 кг опилок - 1,93 кВт·ч;- the total amount of energy generated by all turbines, as a result of gasification of 1 kg of sawdust - 1.93 kWh;

- количество энергии, заключенной в произведенном метаноле -3,07 кВт·ч.;- the amount of energy contained in the methanol produced is -3.07 kWh;

- термический КПД процесса получения метанола - 0,928.- thermal efficiency of the methanol production process - 0.928.

Пример 3Example 3

Перерабатываемое сырье - вода, не пригодная для питья, или смесь воды с любыми углеродсодержащими органическими или неорганическими соединениями, включая отходы и газы. Один из возможных вариантов реализации такого процесса представлен на фиг.3. Способ реализуется следующим образом.Processed raw materials - water not suitable for drinking, or a mixture of water with any carbon-containing organic or inorganic compounds, including waste and gases. One possible implementation of such a process is presented in figure 3. The method is implemented as follows.

Если вода не содержит органических веществ, то она предварительно смешивается по одной из известных технологий с твердыми, или жидкими, или газообразными, или со всеми одновременно углеродсодержащими продуктами, после чего подается в блок реакторов газификации 1, в котором в процессе газификации превращается в смесь газов. Количество подаваемой смеси должно быть таким, чтобы обеспечить в реакционной зоне блока реакторов температуру порядка 2000-5000 К, при температуре плазмы порядка 8000 К и давление до 10-15 МПа, в зависимости от элементного состава примесей в перерабатываемой воде. При этой температуре не содержащие углерод вещества оплавляются, подаются в шлакоприемник реактора и затем утилизируются. Углерод и вода превращаются в газы, состоящие из водорода, оксида углерода и частично или полностью диссоциированных молекул воды. Эта смесь подается в двигатель 2, где она расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию, а пар из встроенного в реактор парового котла 6 - в паровую турбину 7. После выхода из двигателя 2 газы поступают в блок 8, где они отделяются, а вода конденсируется. Водород и оксид углерода направляются частично в реактор метанатор 3, частично - в блок реакторов синтеза органических соединений 5. Образовавшаяся в реакторе метанаторе смесь метана и водяного пара подается в двигатель 4, где она расширяется и преобразует тепловую и кинетическую энергию смеси в механическую энергию, а из двигателя - в блок реакторов газификации 1. Цикл таким образом замыкается.If water does not contain organic substances, then it is pre-mixed according to one of the known technologies with solid, or liquid, or gaseous, or with all carbon-containing products at the same time, after which it is supplied to the gasification reactor block 1, in which it turns into a mixture of gases during gasification . The amount of the supplied mixture should be such as to ensure a temperature of about 2000-5000 K in the reaction zone of the reactor block, at a plasma temperature of about 8000 K and a pressure of up to 10-15 MPa, depending on the elemental composition of the impurities in the treated water. At this temperature, carbon-free substances are melted, fed to the reactor slag, and then disposed of. Carbon and water are converted into gases consisting of hydrogen, carbon monoxide and partially or fully dissociated water molecules. This mixture is supplied to engine 2, where it expands and converts the thermal and kinetic energy of the mixture into mechanical energy, and the steam from the steam boiler 6 built into the reactor is transferred to the steam turbine 7. After leaving the engine 2, the gases enter block 8, where they are separated and the water condenses. Hydrogen and carbon monoxide are partially sent to the methanator reactor 3, and partially to the unit for the synthesis of organic compounds 5. The mixture of methane and water vapor formed in the methanator reactor is fed to engine 4, where it expands and converts the thermal and kinetic energy of the mixture into mechanical energy, and from the engine - to the gasification reactor block 1. The cycle thus closes.

Переработка сточных вод и вод, загрязненных органическими веществами, должна сопровождаться выпуском химической органической продукции, поскольку участвующие в цикле работы двигателей вещества теоретически не расходуются. При использовании способа для опреснения воды может производиться также неорганическая продукция.The treatment of wastewater and water contaminated with organic substances should be accompanied by the release of chemical organic products, since the substances involved in the engine cycle are theoretically not consumed. When using the method for desalination, inorganic products can also be produced.

Исходные данные, используемые для проведения расчета:The initial data used for the calculation:

- мощность, потребляемая плазменными горелками при расходе воды 1 л/с и температуре плазмы 8000 К - 24,3 МВт;- the power consumed by plasma torches at a water flow rate of 1 l / s and a plasma temperature of 8000 K is 24.3 MW;

- количество тепла, ежесекундно подводимого к реактору - 23,1 МДж;- the amount of heat supplied to the reactor every second is 23.1 MJ;

- температура водяного пара на входе в турбину - 1400 К;- water vapor temperature at the turbine inlet - 1400 K;

- давление пара на входе в турбину - 10 МПа;- steam pressure at the turbine inlet - 10 MPa;

- давление пара на выходе из турбины - 0,05 МПа;- steam pressure at the outlet of the turbine - 0.05 MPa;

- количество тепла, необходимое для испарения 1 кг воды и нагрева 1 кг водяного пара до 1400 К - 5,69 МДж;- the amount of heat required to evaporate 1 kg of water and heat 1 kg of water vapor to 1400 K is 5.69 MJ;

- мощность двигателей при расходе смеси водорода и оксида углерода и метано-паровой смеси 1 кг/с - 6,1 МВт, а в прототипе - 2,35 МВт;- engine power at a flow rate of a mixture of hydrogen and carbon monoxide and a methane-steam mixture of 1 kg / s - 6.1 MW, and in the prototype - 2.35 MW;

- показатель адиабаты для водяного пара - 1,226;- the adiabatic exponent for water vapor is 1.226;

- удельная газовая постоянная водяного пара - 461,5 Дж/кг К.- specific gas constant of water vapor - 461.5 J / kg K.

Получены следующие результаты расчета:The following calculation results were obtained:

- количество воды и пара, ежесекундно нагреваемых выделенным теплом до температуры 1400 К - 4,06 кг;- the amount of water and steam heated every second by the allocated heat to a temperature of 1400 K - 4.06 kg;

- мощность паровой турбины - 11,59 МВт;- steam turbine power - 11.59 MW;

- суммарная мощность всех двигателей - 17,69 МВт;- the total power of all engines is 17.69 MW;

- расход смеси водорода и оксида углерода и метанопаровой смеси через двигатель для компенсации тепловых потерь - 1,48 кг/с, а в прототипе - 4,6 кг/с.- the flow rate of the mixture of hydrogen and carbon monoxide and methane-vapor mixture through the engine to compensate for heat loss - 1.48 kg / s, and in the prototype - 4.6 kg / s

Производимая продукция: дистиллированная вода, электроэнергия, тепловая энергия, неорганические шлаки, продукты органического и неорганического синтеза. Использование энергии от сторонних источников для производства упомянутой продукции не происходит.Produced products: distilled water, electricity, thermal energy, inorganic slag, products of organic and inorganic synthesis. The use of energy from third-party sources for the production of these products does not occur.

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, p. 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, "Science", 1998. - 127 p.

6. Степанов B.C. Химическая энергия и энергия веществ. Новосибирск, «Наука», 1990. - 163 с.6. Stepanov B.C. Chemical energy and energy of substances. Novosibirsk, "Science", 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., "Science", 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., "Science", 1972. - 780 p.

Claims (4)

1. Способ преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе, включающий подачу подготовленного сырья в реактор газификации или конверсии, в котором его газифицируют или конвертируют в автотермическом или термическом режиме с образованием водорода, оксида углерода и сопутствующих продуктов, отделение сопутствующих продуктов, подачу смеси водорода и оксида углерода в реактор-метанатор, в котором образуется смесь метана и водяного пара - рабочее тело, подачу этой смеси в двигатель с последующим ее расширением и преобразованием в механическую энергию, отличающийся тем, что в двигатель подают образовавшиеся неразделенные продукты газификации - первое рабочее тело, при расширении которого в двигателе преобразуется тепловая и кинетическая энергия смеси в механическую энергию, а отработанное и охлажденное в двигателе первое рабочее тело разделяют на водород, оксид углерода и сопутствующие продукты, при этом отделенные водород и оксид углерода подают в реактор-метанатор, где в каталитическом процессе образуется метанопаровая смесь - второе рабочее тело, которое также подают во второй контур упомянутого двигателя, где оно в процессе расширения также преобразует энергию смеси в механическую энергию, а отработанную метанопаровую смесь и сопутствующие продукты возвращают в реактор газификации или конверсии, в котором вновь образуется смесь водорода и оксида углерода, при этом цикл замыкается.1. A method of converting energy with the regeneration of energy in a cyclic process, comprising supplying the prepared raw materials to a gasification or conversion reactor, in which it is gasified or converted in an autothermal or thermal regime with the formation of hydrogen, carbon monoxide and related products, separation of related products, the supply of a mixture of hydrogen and carbon monoxide in a methanator reactor, in which a mixture of methane and water vapor is formed - the working fluid, feeding this mixture into the engine with its subsequent expansion and conversion into mechanical energy, characterized in that the formed non-separated gasification products are fed into the engine - the first working fluid, when expanded, the thermal and kinetic energy of the mixture is converted into mechanical energy in the engine, and the first working fluid spent and cooled in the engine is separated into hydrogen, oxide carbon and related products, while the separated hydrogen and carbon monoxide are fed to a methanator reactor, where a methane-vapor mixture is formed in the catalytic process - the second working e body, which is also fed into the second circuit of the aforementioned engine, where it also converts the energy of the mixture into mechanical energy during the expansion process, and the spent methane-vapor mixture and associated products are returned to the gasification or conversion reactor, in which the mixture of hydrogen and carbon monoxide is again formed, this closes the cycle. 2. Способ по п.1, в котором газификация или конверсия сырья осуществляется в плазмохимическом режиме.2. The method according to claim 1, in which the gasification or conversion of raw materials is carried out in a plasma-chemical mode. 3. Способ по п.2, в котором плазмообразующим веществом в плазмохимическом режиме является вода.3. The method according to claim 2, in which the plasma-forming substance in the plasma-chemical regime is water. 4. Способ по п.1, в котором к смеси водорода и оксида углерода, а также метана и водяного пара добавляют благородный газ или смеси благородных газов. 4. The method according to claim 1, wherein a noble gas or a mixture of noble gases is added to a mixture of hydrogen and carbon monoxide, as well as methane and water vapor.
RU2008113761/06A 2008-04-10 2008-04-11 Method of energy conversion with regeneration of energy sources in barchan cyclic process RU2386819C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008113761/06A RU2386819C2 (en) 2008-04-11 2008-04-11 Method of energy conversion with regeneration of energy sources in barchan cyclic process
CA 2662053 CA2662053A1 (en) 2008-04-10 2009-04-08 Method for the transformation of energy with energy carrier regeneration in a cyclic process

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008113761/06A RU2386819C2 (en) 2008-04-11 2008-04-11 Method of energy conversion with regeneration of energy sources in barchan cyclic process

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008113761A RU2008113761A (en) 2009-10-20
RU2386819C2 true RU2386819C2 (en) 2010-04-20

Family

ID=41161258

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008113761/06A RU2386819C2 (en) 2008-04-10 2008-04-11 Method of energy conversion with regeneration of energy sources in barchan cyclic process

Country Status (2)

Country Link
CA (1) CA2662053A1 (en)
RU (1) RU2386819C2 (en)

Cited By (1)

* 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

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102927584B (en) * 2012-07-09 2015-04-08 郭志男 Industrial furnace for plasma water fuel

Cited By (5)

* 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
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
RU2008113761A (en) 2009-10-20
CA2662053A1 (en) 2009-10-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7337612B2 (en) Method for the utilization of energy from cyclic thermochemical processes to produce mechanical energy and plant for this purpose
US20110008694A1 (en) Hydrogen generator, ammonia-burning internal combustion engine, and fuel cell
MX2014007345A (en) Process and system for conversion of carbon dioxide to carbon monoxide.
RU2385836C2 (en) Method of developing hydrogen energy chemical complex and device for its realisation
US20060013765A1 (en) Method for producing hydrogen gas by steam methane reforming using solar energy
US20110067376A1 (en) Plasma-based waste-to-energy techniques
JP2007525555A (en) Co-production of hydrogen and electricity by biomass gasification
Basini et al. CO2 capture and utilization (CCU) by integrating water electrolysis, electrified reverse water gas shift (E-RWGS) and methanol synthesis
US20080166273A1 (en) Method And System For The Transformation Of Molecules, This Process Being Used To Transform Harmful And Useless Waste Into Useful Substances And Energy
TW201518495A (en) Manufacturing device and manufacturing method for hydrogen and synthetic natural gas
Pashchenko Low-grade heat utilization in the methanol-fired gas turbines through a thermochemical fuel transformation
Khademi et al. Sustainable ammonia production from steam reforming of biomass-derived glycerol in a heat-integrated intensified process: Modeling and feasibility study
Pashchenko Ammonia fired gas turbines: Recent advances and future perspectives
White et al. Thermodynamic modelling and energy balance of direct methanation of glycerol for Bio-SNG production
Yousefi et al. Experimental study for thermal methane cracking reaction to generate very pure hydrogen in small or medium scales by using regenerative reactor
JP2007246369A (en) Apparatus, system and method for producing hydrogen
Omidvar et al. Performance assessment and exergy analysis of hydrogen production from natural gas in a petrochemical unit (A real case study)
RU2386819C2 (en) Method of energy conversion with regeneration of energy sources in barchan cyclic process
RU2323351C2 (en) Method of conversing energy emanating during exothermic process, into mechanical work
JP6434117B1 (en) High concentration hydrogen liquid combustion method
Ishaq et al. Modeling and simulation of a novel chemical process for clean hydrogen and power generation
JP6574183B2 (en) Process of combustion in a heat engine of solid, liquid or gaseous hydrocarbon (HC) raw materials, heat engine and system for producing energy from hydrocarbon (HC) material
Stoppel et al. Technology Development for the Pyrolysis of Hydrocarbons in Liquid Metal
Zaidi et al. Energy Analysis of Methanol Synthesis via Reverse Water-Gas Shift Reactor
EP4036055A1 (en) Process for producing a hydrogen-containing product gas using energy from waste

Legal Events

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

Effective date: 20160412