Способ преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе теплового двигателя

Способ преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе теплового двигателя

Реферат

Изобретение относится к энергетике, а именно к способам преобразования внутренней энергии углеводородного топлива в механическую работу.

Известные современные способы получения тепловой энергии, за исключением атомной, термоядерной, солнечной и термальной, основаны на непосредственном сжигании источников энергии, то есть полном окислении всех горючих элементов, входящих в топливо (см., например, книгу Л.С. Стерман и др. «Тепловые и атомные электростанции», М., Энергоиздат, 1982).

Недостатки этих способов, при всем их многообразии, имеют общий характер и заключаются в следующем:

- невозможность переработки отходов с содержанием в них воды более 75%;

- теоретический к.п.д. лучших теплосиловых установок не превышает 75%, а эффективный - 35%;

- продукты сгорания, выбрасываемые в атмосферу, загрязняют окружающую среду и создают проблемы для существования самой жизни на Земле;

- природные, не возобновляемые топливно-энергетические ресурсы используются неэффективно;

- биомасса растений и продуктов жизнедеятельности человека и животных используются для получения энергии эпизодически и неэффективно.

Известен способ утилизации энергии, полученной в циклическом термохимическом процессе, и преобразования ее в механическую энергию, согласно которому смесь водорода и оксида углерода (энергоноситель, подаваемый в двигатель) в молярном соотношении 3:1 подается из емкости в реактор, в котором в ходе каталитической реакции образуется смесь метана и водяного пара (рабочее тело) и подается в рабочую полость двигателя, в результате расширения смеси вырабатывается механическая энергия. Отработанная метанопаровая смесь направляется в систему охлаждения газоохлаждаемого высокотемпературного атомного реактора, который находится вне двигателя, где превращается в исходный водород и оксид углерода (см. заявку WO 03/091549, кл. F01K 25/06, 06.11.2003).

Данный способ позволяет значительно, по сравнению с известными, сократить расход топлива, однако обладает следующими недостатками:

- для обеспечения цикличности процесса необходим высокотемпературный источник тепловой энергии, находящийся вне двигателя;

- способ может быть реализован только в стационарных условиях и в непосредственной близости от высокотемпературного источника энергии;

- способ не позволяет использовать другие виды углеродсодержащего сырья;

- способ не позволяет создавать автономные и транспортные двигатели;

- энергоноситель (смесь водорода и оксида углерода) должен изготавливаться на специализированном предприятии.

Известен способ преобразования энергии, выделяющейся в экзотермическом процессе, в механическую работу, включающий подачу исходного сырья в первый реактор (газогенератор), взаимодействие компонентов сырья в экзотермическом процессе, в результате которого образуется водород и оксид углерода, которые подают в реактор метанатор (частный случай реактора Фишера-Тропша), где посредством каталитической реакции образуют рабочее тело - метанопаровую смесь, при расширении которой в двигателе производят механическую работу, а отработанное рабочее тело направляют на регенерацию во второй реактор и затем возвращают 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, каталитическую реакцию между водородом и оксидом углерода осуществляют при температуре от 600К до 1400К и давлении 0,6-20 МПа (патент RU №2323351, кл. F01K 23/04, 27.04.2008).

Указанный способ имеет следующие недостатки:

- не используются энергия и газы, выделяющиеся в газогенераторе при риформинге или газификации исходного сырья;

- плазмохимический риформинг или газификация используются только для переработки водных смесей;

- проведение процесса метанирования при температуре более 700К на товарных катализаторах трудноосуществимо;

- ограничение температуры от 600К до 1400К и давления 0,6-20 МПа существенно ограничивает достигаемые результаты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе теплового двигателя, заключающийся в том, что углеводородное топливо и кислород подают в газогенератор, в котором топливо газифицируют или конвертируют в автотермическом или термическом режиме с образованием смеси водорода, оксида углерода и сопутствующих продуктов, полученную смесь водорода и оксида углерода отделяют от сопутствующих продуктов и подают в устройство для преобразования их кинетической и тепловой энергии в механическую энергию, после чего смесь водорода и оксида углерода подают в реактор гидрирования, где в каталитическом процессе образуют углеводородные вещества и пирогенную воду, которые через устройство преобразования энергии смеси подают в газогенератор для их конвертирования с образованием таким образом первого контура циркуляции: газогенератор - устройство преобразования энергии газа в механическую энергию - устройство для отделения сопутствующих продуктов - реактор гидрирования - устройство преобразования энергии газов в механическую энергию - газогенератор, воду в паровых котлах, обогреваемых продуктами газификации и гидрирования, испаряют и подают в устройство преобразования энергии пара в механическую энергию, например, в турбину (патент RU №2386819, кл. F01K 23/04, 20.04.2010).

В известном техническом решении удалось существенно повысить ряд характеристик и устранить присущие способу циклической регенерации недостатки, выявившиеся в процессе практической реализации данного способа.

Однако при этом выявлены следующие недостатки:

- использование метанатора для регенерации оксида углерода, если метан не является целевой продукцией энерготехнологической установки, приводит к увеличению расхода энергии на собственные нужды, в связи с компримированием горячей метанопаровой смеси и к увеличению стоимости оборудования, необходимого для реализации способа;

- мольное отношение водорода к оксиду углерода в синтез-газе - 3:1 ограничивает применение способа;

- отделение сопутствующих продуктов от синтез-газа усложняет технологическую схему процесса регенерации топлива;

- использование плазмохимического способа не всегда целесообразно, поскольку ограничивает использование других способов газификации исходного сырья;

- использование благородных газов или смеси благородных газов уменьшает производительность газогенераторов и реакторов гидрирования оксидов углерода.

Задача, положенная в основу заявляемого изобретения, заключается в создании способа преобразования энергии с циклической регенерацией оксидов углерода в двигателях внутреннего сгорания, в котельных агрегатах в процессах извлечения и переработки сырья, содержащего углеводороды, включая газы, смеси различных веществ, промышленные и бытовые отходы, лишенного указанных недостатков.

Технический результат заключается в упрощении процесса регенерации оксидов углерода, образующихся в тепловых двигателях или в котельных агрегатах, или в различных технологических процессах переработки сырья.

Задача, положенная в основу заявляемого изобретения, с достижением указанного технического результата решается тем, что в известном способе преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе теплового двигателя, включающем подачу подготовленного сырья и кислорода в газогенератор, в котором его газифицируют или конвертируют в автотермическом или термическом режиме с образованием синтез-газа, подачу синтез-газа в устройство для преобразования энергии газа в механическую энергию, разделение синтез-газа на водород, оксид углерода и сопутствующие продукты, подачу отделенных водорода и оксида углерода в реактор гидрирования, подачу продуктов гидрирования во второе устройство преобразования энергии газов в механическую энергию, возвращение отработанных в устройстве веществ в газогенератор для повторной газификации, при этом образуется контур циркуляции: газогенератор - устройство преобразования энергии синтез-газа в механическую энергию -разделение синтез-газа на водород оксид углерода и сопутствующие продукты - реактор гидрирования - устройство преобразования энергии продуктов гидрирования в механическую энергию - газогенератор, в соответствии с изобретением, часть образовавшихся в реакторе гидрирования углеводородных веществ отделяют от пирогенной воды и подают в газогенератор для газификации с образованием, первого (газового) контура циркуляции: газогенератор - устройство преобразования энергии газа в механическую энергию - реактор гидрирования - газогенератор, а оставшуюся часть направляют на дальнейшую переработку в ректификационную колонну; процесс проводят в изотермическом режиме: в газогенераторе температура процесса определяется предельно допустимой температурой на входе в турбину, в реакторе гидрирования - температурой необходимого строения и молекулярного состава; для поддержания изотермического режима в газогенераторе и реакторе гидрирования располагают паровые котлы пар подают в устройство преобразования энергии пара в механическую энергию, например в турбину, отработанный пар направляют в конденсатор, конденсат и отделенную пирогенную воду, возвращают в паровые котлы и формируют второй (паровой) контур циркуляции: паровые котлы - устройство преобразования энергии пара в механическую энергию - конденсатор - паровые котлы, при этом конденсат пара и пирогенную воду распределяют между котлами пропорционально их производительности; влагу поступающего в воздухозаборник воздуха конденсируют до остаточного содержания не более 0,2 г/м³, а образовавшийся конденсат собирают и используют для подпитки паровых котлов или других целей. Осушение воздуха производят в каскаде теплообменников и, если необходимо, в детандерной турбине, при этом температура на выходе из турбины должна быть в пределах 0-3°С.

В газогенераторе двигателя получают синтез-газ с мольным отношением H₂:CO и H₂:CO₂, необходимым и достаточным для полной регенерации оксидов углерода.

При мольном отношении CO:CO₂ меньше 1 дополнительный водород, необходимый для гидрирования углекислого газа, получают из пирогенной воды или перегретого водяного пара.

Из реактора гидрирования часть полученных в нем углеводородов направляют в ректификацию колонну на дальнейшую переработку.

На чертеже представлена принципиальная схема материальных потоков теплового двигателя для реализации описанного способа преобразования энергии.

Описываемый способ преобразования энергии может быть реализован в тепловом двигателе, например в двигателе внутреннего сгорания в соответствии с фиг.1, который имеет газогенератор 1 с расположенным в нем паровым котлом 2 и пароперегревателем 3, при этом вход газогенератора 1 подключен к источникам кислорода и углеводородного топлива, а выход синтез-газа - к устройству для преобразования кинетической и тепловой энергии газа в механическую энергию 4, например к турбине, последнее выходом подключено к реактору гидрирования 5, в котором расположен второй паровой котел 6, при этом последний выходом через пароперегреватель подключен к устройству преобразования энергии пара в механическую энергию 7, например, к турбине, подключенной выходом к конденсатору 8, выход воды из которого подключен к паровым котлам 2 и 6, реактор гидрирования 5 выходом углеводородов подключен к газогенератору 1.

При постоянной переработке сырья реактор гидрирования подключен выходом углеводородов и пирогенной воды к колонне ректификации 9.

В качестве источника кислорода, подаваемого в газогенератор 1, могут быть использованы воздуходувка или кислородная станция (на Фиг.1 не показаны), а для извлечения паров воды из воздуха использован каскад теплообменников и, если необходимо, детандерная турбина (на схеме не показаны).

Способ преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе теплового двигателя заключается в том, что углеводородное топливо и кислород подают в газогенератор 1, в котором топливо газифицируют или конвертируют в автотермическом или термическом режиме с образованием синтез-газа. Полученный синтез-газ подают в устройство для преобразования энергии газа в механическую энергию 4, после которого - в реактор гидрирования 5, где в каталитическом процессе образуют углеводородные вещества и пирогенную воду, углеводороды подают в газогенератор 1 для их газификации, образуя, таким образом, газовый (первый) контур циркуляции: газогенератор 1 - устройство преобразования энергии газа в механическую энергию 4 - реактор гидрирования 5 - газогенератор 1.

Из паровых котлов 2 и 6 пар подают в устройство преобразования энергии пара в механическую энергию 7, например в турбину. Паровые котлы 2 и 6 располагают соответственно в газогенераторе 1 и реакторе гидрирования 6 и путем поглощения избыточного тепла поддерживают в газогенераторе 1 и реакторе гидрирования 5 изотермический режим. Пар из устройства преобразования энергии пара в механическую энергию 7 направляют в конденсатор 8, конденсат и пирогенную воду возвращают в паровые котлы 2 и 6 пропорционально их производительности и формируют, таким образом, паровой (второй) контур циркуляции: паровые котлы 2 и 6 - устройство для преобразования энергии пара в механическую энергию 7 - конденсатор 8 - паровые котлы 2 и 6.

Влагу поступающего в воздухозаборник воздуха конденсируют в теплообменниках до остаточного содержания не более 0,2 г/м³, а конденсат собирают и используют для подпитки паровых котлов 2 и 6 или для других целей.

В газогенераторе 1 двигателя получают синтез-газ с мольным отношением H₂:CO и H₂:CO₂, необходимым и достаточным для полной регенерации оксидов углерода.

При мольном отношении CO:CO₂ меньше 1 дополнительный водород, необходимый для гидрирования углекислого газа, получают из пирогенной воды или перегретого водяного пара.

При постоянной переработке сырья часть полученных в реакторе гидрирования 5 углеводородов направляют на дальнейшую переработку в ректификационную колонну 9.

Газ или преимущественно жидкое топливо, поскольку энтальпия его окисления, отнесенная к 1 литру объема, максимальна, из топливного бака или из баллона подают в газогенератор 1 двигателя. В газогенераторе 1 в свободном объеме при температуре 1625-2500К или при температуре 785-1620К в присутствии катализаторов образуется синтез газ - смесь водорода и оксидов углерода. Процесс предпочтительно проводят в интервале давлений 0,11-30 МПа. При плазмокаталитической газификации температуру в плазме устанавливают в пределах 1700-10000К и более. Из синтез-газа в реакторе гидрирования 5 образуются углеводороды с количеством углеродных атомов от C₁ до C₂₅, кислородсодержащие углеводородные соединения C₁-C₄ и пары воды. Обычно процесс проводят при давлении 3,1 МПа и температуре 610К. Однако существуют и другие режимы.

Теоретический эффективный коэффициент полезного действия может достигать 0,73, коэффициент цикла Карно - 0,89.

Настоящее изобретение может быть использовано в энергетике и машиностроении, в частности в автомобилестроении или судостроении, а также в химической, металлургической и топливодобывающей отраслях промышленности для одновременного получения энергии и различной целевой продукции.

1. Способ преобразования энергии с регенерацией энергоносителей в циклическом процессе теплового двигателя, заключающийся в том, что углеводородное топливо и кислород подают в газогенератор, в котором топливо газифицируют или конвертируют в автотермическом или термическом режиме с образованием смеси водорода и оксида углерода, полученную смесь водорода и оксида углерода подают в устройство для преобразования их кинетической и тепловой энергии в механическую энергию, после чего смесь водорода и оксида углерода подают в реактор гидрирования, где в каталитическом процессе образуют углеводородные вещества и пирогенную воду, которые подают в газогенератор для их конвертирования с образованием таким образом первого контура циркуляции: газогенератор - устройство преобразования кинетической и тепловой энергии в механическую энергию - реактор гидрирования - газогенератор, в паровых котлах, испаряют воду и подают пар в устройство преобразования энергии пара в механическую энергию, например в турбину, отличающийся тем, что паровые котлы располагают в газогенераторе и реакторе гидрирования и таким образом путем нагрева воды в последних поддерживают в газогенераторе и реакторе гидрирования изотермический режим процессов газификации и гидрирования, пар из устройства преобразования энергии пара в механическую энергию направляют в конденсатор, из которого конденсат пара возвращают в паровые котлы и формируют таким образом второй контур циркуляции: паровые котлы - устройство преобразования энергии пара в механическую энергию - конденсатор - паровые котлы, при этом конденсат пара распределяют между котлами пропорционально их производительности, причем при газификации или конвертации в газогенераторе углеводородного топлива в автотермическом или термическом режиме образуют смесь водорода и оксидов углерода, одновременно в реакторе гидрирования в каталитическом процессе образуют смесь углеводородных веществ и пирогенную воду, из реактора гидрирования часть полученных в нем углеводородов отделяют от полученной смеси и направляют на дальнейшую переработку в ректификационную колонну, а в газогенератор двигателя подают чистый кислород из кислородной станции или кислород в составе воздуха из воздуходувки, при этом поступающий в воздухозаборник воздух предварительно охлаждают или нагревают, в зависимости от климатических условий, до точки росы в каскаде теплообменников, а затем охлаждают до температуры 0°…-3°C в детандерной турбине, процесс охлаждения повторяют до остаточного содержания влаги в воздухе не более 0,2 г/м³, а образовавшийся конденсат собирают и используют для подпитки паровых котлов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение воздуха производят в каскаде теплообменников холодным воздухом, или холодным азотом, или охлаждающей газовой смесью, нагрев - горячей водой или паром, а конденсат воды используют для подпитки паровых котлов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пар из парового котла, установленного в реакторе гидрирования, направляют в устройство преобразования энергии пара в механическую энергию через установленный в газогенераторе пароперегреватель.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в газогенераторе двигателя получают синтез-газ с мольным отношением H₂:CO и H₂:CO₂, необходимым и достаточным для полной регенерации оксидов углерода.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что при мольном отношении CO:CO₂ меньше 1 дополнительный водород, необходимый для гидрирования углекислого газа, получают из пирогенной воды или перегретого водяного пара.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть пара из устройства преобразования энергии пара в механическую энергию направляют в установленный в газогенераторе пароперегреватель, после чего перегретый пар возвращают в устройство преобразования энергии пара в механическую энергию.