RU2388649C1

RU2388649C1 - Self-contained combined power plant

Info

Publication number: RU2388649C1
Application number: RU2008145837/06A
Authority: RU
Inventors: Алексей Леонидович Дмитриев (RU); Алексей Леонидович Дмитриев; Валерий Константинович Иконников (RU); Валерий Константинович Иконников; Александр Игоревич Румянцев (RU); Александр Игоревич Румянцев; Владимир Юрьевич Рыжкин (RU); Владимир Юрьевич Рыжкин
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научный центр "Прикладная химия"
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-05-10

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to power industry. Self-contained combined power plant includes a silo with aluminium powder, supply device, mixer, high pressure pump, spraying device, chemical reactor, throttle controls, condensers, filter, hydrogen drier, electrochemical generator, feeding capacity with water, solid reaction products discharge capacity, which differs by the fact that the plant is equipped with steam-hydrogen turbine, heat exchangers-condensers and separators, high pressure water pump, heat-recovery boiler, which is connected to chemical reactor through a throttle control, as well as connected to electrochemical generator, steam-hydrogen turbine and through heat exchanger-condenser to separator, and steam-hydrogen turbine through heat exchanger-condenser, separator, throttle control, filter and hydrogen drier is connected to electrochemical generator; heat-recovery boiler is equipped with air heating section connected to air supply line to electrochemical generator; heat exchangers-condensers of the plant are connected to external heat supply system; high pressure water pump is connected to water feeding capacity and the main line of steam-generating section of heat-recovery boiler.

EFFECT: invention allows increasing the plant power and power fuel (aluminium powder) efficiency.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическим установкам, содержащим электрохимические генераторы, и может быть использовано в транспортных средствах и объектах малой энергетики.The invention relates to power plants containing electrochemical generators, and can be used in vehicles and small energy facilities.

Известна энергетическая установка подводной лодки (патент РФ № 2236984, МКП B63G 8/08, опубл. 27.09.2004), которая содержит электрохимический генератор и химический реактор, в котором путем гидротермального окисления порошка алюминия образуется пароводородная смесь, систему смешивания порошка алюминия с водой, насосы для подачи суспензии в химический реактор, устройства для разделения водорода и паров воды, фильтр-осушитель водорода перед подачей его в электрохимический генератор, цистерну с водой и системы сбора воды и твердых продуктов реакции (гидрооксидов алюминия). Недостатком данной энергетической установки является то, что для выработки электроэнергии используется лишь химическая энергия водорода, а энергия пароводородной смеси с температурой ~300°С, способной совершать механическую работу, никак не используется. В литературе предлагается использовать энергию пароводородной смеси в пароводородной турбине.A known power plant of a submarine (RF patent No. 2236984, MKP B63G 8/08, publ. 09/27/2004), which contains an electrochemical generator and a chemical reactor in which by hydrothermal oxidation of aluminum powder forms a hydrogen-vapor mixture, a system for mixing aluminum powder with water, pumps for supplying a suspension to a chemical reactor, devices for separating hydrogen and water vapor, a hydrogen filter drier before being fed to an electrochemical generator, a water tank, and a system for collecting water and solid reaction products (g aluminum hydroxides). The disadvantage of this power plant is that only the chemical energy of hydrogen is used to generate electricity, and the energy of a steam-hydrogen mixture with a temperature of ~ 300 ° C, capable of performing mechanical work, is not used at all. It is proposed in the literature to use the energy of a steam-hydrogen mixture in a steam-turbine.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение энергетической мощности и электрического к.п.д. энергетической установки и увеличение коэффициента использования топлива (порошка алюминия).The task of the invention is to increase energy power and electrical efficiency power plant and increase fuel efficiency (aluminum powder).

Решение поставленной задачи достигается тем, что автономная комбинированная энергетическая установка, которая содержит бункер с порошком алюминия, подающее устройство, смеситель, насос высокого давления, распылительное устройство, химический реактор, дроссельные регуляторы, конденсаторы, фильтр-осушитель водорода, электрохимический генератор, питательную емкость с водой, снабжена пароводородной турбиной, теплообменниками-конденсаторами, котлом-утилизатором, который связан с химическим реактором через дроссельный регулятор, а также соединен с электрохимическим генератором, пароводородной турбиной и через теплообменник-конденсатор с сепаратором, а пароводородная турбина через свой теплообменник-конденсатор, сепаратор, фильтр и осушитель водорода соединена с электрохимическим генератором. Котел-утилизатор содержит секцию генерации дополнительного пара, секцию перегрева пароводородной смеси двух секций и секцию подогрева воздуха, поступающего в электрохимический генератор. Теплоносителем в котле-утилизаторе являются уходящие из топливного элемента газы, которые, пройдя через котел-утилизатор, теплообменник-конденсатор и сепаратор, сбрасываются в окружающую среду. Охлаждающей средой в теплообменниках-конденсаторах может служить вода, используемая в системах теплоснабжения. Таким образом, пароводородная смесь, проходя через котел-утилизатор, будет нагреваться до температуры 400-600°С в зависимости от типа топливного элемента. Расчет теплового баланса показывает, что теплоты, выделяемой уходящими из электрохимического генератора газами при их температуре 800°С, достаточно для нагрева пароводородной смеси от температуры 300°С до температуры 550-600°С с учетом увеличения расхода пароводородной смеси на 30-40% за счет дополнительного подвода воды. Мощность пароводородной турбины повышается примерно в 1,5 раза.The solution to this problem is achieved by the fact that an autonomous combined power plant, which contains a hopper with aluminum powder, a feed device, a mixer, a high pressure pump, a spray device, a chemical reactor, throttle controllers, capacitors, a hydrogen filter drier, an electrochemical generator, a feed tank with water, equipped with a steam-turbine, heat exchangers, condensers, a waste heat boiler, which is connected to the chemical reactor through a throttle controller, as well as connected to the electrochemical generator, steam-turbine and the heat exchanger-condenser with a separator, and steam-turbine through a heat exchanger-condenser, a separator and a filter dehydrator is connected to a hydrogen electrochemical generator. The recovery boiler contains a section for generating additional steam, a section for overheating the steam-hydrogen mixture of the two sections, and a section for heating the air entering the electrochemical generator. The coolant in the recovery boiler is the gases leaving the fuel cell, which, passing through the recovery boiler, heat exchanger-condenser and separator, are discharged into the environment. The cooling medium in the heat exchangers-condensers can serve as water used in heating systems. Thus, the steam-hydrogen mixture passing through the waste heat boiler will be heated to a temperature of 400-600 ° C, depending on the type of fuel cell. The calculation of the heat balance shows that the heat released by the gases leaving the electrochemical generator at their temperature of 800 ° C is sufficient to heat the steam-hydrogen mixture from a temperature of 300 ° C to a temperature of 550-600 ° C, taking into account an increase in the flow rate of the steam-hydrogen mixture by 30-40% per due to additional water supply. The power of a steam turbine increases by about 1.5 times.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется схемой автономной комбинированной энергетической установки, представленной на чертеже.The present invention is illustrated by a diagram of an autonomous combined power plant, shown in the drawing.

Автономная комбинированная энергетическая установка содержит бункер с порошком алюминия 1, связанный с помощью подающего устройства 2 со смесителем 3, соединенным с питательной емкостью 24, снабженной системой водоподготовки 25 и насосом подпитки 26, насос высокого давления 4 и распылительное устройство 5, химический реактор 6 по пароводородной фазе, связанный через дроссельный регулятор 7 с котлом-утилизатором 8, соединенным с пароводородной турбиной 9, которая через теплообменник-конденсатор 10, сепаратор 11, дроссельный регулятор 12, фильтр 13 и осушитель водорода 14 связана с электрохимическим генератором 15, а по жидкой фазе через дроссельный регулятор 16 с циклоном-сепаратором 17, который соединен с емкостью сбора твердых продуктов реакции 18 и конденсатором 19. Котел-утилизатор 8 соединен с электрохимическим генератором 15 и через теплообменник-конденсатор 20 с сепаратором 21. Конденсатор 19 и сепараторы 11, 21 соединены со сборником конденсата 22, который через насос низкого давления 23 соединен с питательной емкостью 24. Питательная емкость 24 через насос высокого давления 27 соединена с магистралью парогенерирующей секции котла-утилизатора 8.Autonomous combined power plant contains a hopper with aluminum powder 1, connected by means of a feeding device 2 with a mixer 3, connected to a feed tank 24, equipped with a water treatment system 25 and a feed pump 26, a high pressure pump 4 and a spray device 5, a chemical reactor 6 for steam and hydrogen phase connected through a throttle controller 7 to a waste heat boiler 8 connected to a steam turbine 9, which through a heat exchanger-condenser 10, a separator 11, a throttle controller 12, a filter 13 and a hydrogen desiccant 14 is connected to an electrochemical generator 15, and in the liquid phase through a throttle controller 16 with a cyclone-separator 17, which is connected to a collecting tank of solid reaction products 18 and a condenser 19. The recovery boiler 8 is connected to an electrochemical generator 15 and through a heat exchanger a condenser 20 with a separator 21. The condenser 19 and the separators 11, 21 are connected to a condensate collector 22, which is connected through a low pressure pump 23 to a feed tank 24. The feed tank 24 through a high pressure pump 27 is connected to agistralyu steam generating section 8 of the recovery boiler.

Работа автономной комбинированной энергетической установки осуществляется следующим образом.The work of an autonomous combined power plant is as follows.

Порошок алюминия поступает в бункер 1, откуда с помощью подающего устройства 2, выполненного в виде шнека, подается в смеситель 3, где смешивается в заданном соотношении с водой, поступающей из питательной емкости 24. Из смесителя водно-алюминиевая суспензия закачивается насосом высокого давления 4 через распылительное устройство 5 в химический реактор 6. В химическом реакторе 6 в процессе реакции при температуре 300°С образуется гидроокись алюминия и водород, которые непрерывно выводятся из реактора в виде пароводородной смеси (смесь водорода с насыщенным водяным паром) и водной суспензии гидроокиси алюминия (бемита). Пароводородная смесь из химического реактора 6 через дроссельный регулятор 7, поддерживающий заданное давление при расходе 370-380 кг/час, направляется в котел-утилизатор 8, где нагревается до температуры 400-600°С и поступает в пароводородную турбину 9. Отработанная в пароводородной турбине 9 пароводородная смесь поступает в теплообменник-конденсатор 10 и далее в сепаратор 11, где водород отделяется от воды. Конденсат из сепаратора 11 поступает в сборник конденсата 22. Выделившийся водород проходит дроссельный регулятор 12, снижающий давление до заданного уровня, фильтр 13, улавливающий остаточный высокодисперсный порошок алюминия, осушитель водорода 14 и поступает на вход электрохимического генератора 15. Сюда же по магистрали подачи воздуха поступает воздух, предварительно нагретый до температуры 200-300°С в котле-утилизаторе 8, а затем проходят через теплообменник-конденсатор 20 в сепаратор 21, откуда конденсат поступает в сборник конденсата 22, а азот выбрасывается в атмосферу. Водная суспензия продуктов реакции (бемита), выходящая из химического реактора 6 через дроссельный регулятор 16, в котором давление снижается до атмосферного (при этом большая часть воды испаряется) направляется в циклон-сепаратор 17, из которого в виде насыщенного пара уходит в конденсатор 19, а твердый осадок через емкость сбора твердых продуктов реакции 18 выводится из установки. Конденсат из конденсатора 19 поступает в сборник конденсата 22. В сборнике конденсата 22 выделяется растворенный в конденсате водород, поступающий затем на утилизацию, а вода закачивается насосом низкого давления 23 в питательную емкость 24. Вода, питающая химический реактор, пройдя систему водоподготовки 25, соединяется в питательной емкости 24 с водой, поступающей из сборника конденсата 22, и направляется в смеситель 3. Горячая вода, получаемая в теплообменниках-конденсаторах 10, 20 и конденсаторе 19, отводится в систему внешнего теплоснабжения.The aluminum powder enters the hopper 1, from where, using a feeding device 2, made in the form of a screw, it is supplied to the mixer 3, where it is mixed in a predetermined ratio with the water coming from the feed tank 24. From the mixer, the water-aluminum suspension is pumped by a high pressure pump 4 through spray device 5 into a chemical reactor 6. In a chemical reactor 6 during the reaction at a temperature of 300 ° C, aluminum hydroxide and hydrogen are formed, which are continuously removed from the reactor in the form of a steam-hydrogen mixture (hydrogen mixture and with saturated water vapor) and an aqueous suspension of aluminum hydroxide (boehmite). The steam-hydrogen mixture from the chemical reactor 6 through the throttle controller 7, which maintains the desired pressure at a flow rate of 370-380 kg / h, is sent to the waste heat boiler 8, where it is heated to a temperature of 400-600 ° C and enters the steam-turbine 9. Used in a steam-turbine turbine 9, the steam-hydrogen mixture enters the heat exchanger-condenser 10 and then to the separator 11, where hydrogen is separated from the water. Condensate from the separator 11 enters the condensate collector 22. The evolved hydrogen passes through a throttle valve 12, which reduces the pressure to a predetermined level, a filter 13, which traps the residual fine aluminum powder, a hydrogen desiccant 14 and enters the input of the electrochemical generator 15. It also receives air preheated to a temperature of 200-300 ° C in a waste heat boiler 8, and then pass through a heat exchanger-condenser 20 to a separator 21, from where the condensate enters the condensate collector 22, and a Zot is released into the atmosphere. An aqueous suspension of reaction products (boehmite), leaving the chemical reactor 6 through a throttle valve 16, in which the pressure decreases to atmospheric (most of the water evaporates) is sent to the cyclone separator 17, from which it leaves into the condenser 19 in the form of saturated steam, and a solid precipitate is discharged from the apparatus through a collecting tank of solid reaction products 18. The condensate from the condenser 19 enters the condensate collector 22. In the condensate collector 22, the hydrogen dissolved in the condensate is released, which is then disposed of, and the water is pumped by the low pressure pump 23 into the feed tank 24. The water supplying the chemical reactor, passing through the water treatment system 25, is connected to feed tank 24 with water coming from the condensate collector 22, and is sent to the mixer 3. Hot water received in the heat exchangers-condensers 10, 20 and the condenser 19, is discharged into the external heat supply system.

В предлагаемой автономной комбинированной энергетической установке мощность установки, по сравнению с прототипом, увеличивается на 40-45%, а энергетическая эффективность использования топлива (порошка алюминия) возрастает до 85%.In the proposed autonomous combined power plant, the capacity of the plant, compared with the prototype, increases by 40-45%, and the energy efficiency of using fuel (aluminum powder) increases to 85%.

Claims

1. An autonomous combined power plant containing a hopper with aluminum powder, a feed device, a mixer, a high pressure pump, a spray device, a chemical reactor, throttle controllers, capacitors, a filter, a hydrogen dryer, an electrochemical generator, a feed tank with water, a collecting tank for solid products reaction, characterized in that the installation is equipped with a steam-turbine, heat exchangers, condensers and separators, a high-pressure water pump, a waste heat boiler, which bound to a chemical reactor through the throttle controller and connected to an electrochemical generator, steam-turbine and the heat exchanger-condenser with a separator, and steam-turbine-condenser through a heat exchanger, a separator, a throttle controller, a filter and the hydrogen dehumidifier connected with the electrochemical generator.

2. The stand-alone combined power plant according to claim 1, characterized in that the waste heat boiler is equipped with an air heating section included in the air supply line to the electrochemical generator.

3. The autonomous combined power plant according to claim 1, characterized in that the heat exchangers-condensers of the installation are connected to an external heat supply system.

4. The stand-alone combined power plant according to claim 1, characterized in that the high-pressure water pump is connected to the water supply tank and the steam generating section of the recovery boiler.