СПОСОБ ХЕМОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
CHEMOTHERMAL HEAT ENERGY TRANSFER METHOD

Изобретение относится преимущественно к способам передачи тепловой энергии преимущественно от ядерных энергетических установок к системам энергообеспечения на их основе и предназначено для обеспечения тепловой и электрической энергией потребителей, удаленных от централизованных энергоисточников.
Известны способы передачи тепловой энергии преимущественно от ядерных энергетических установок к системам энергообеспечения на их основе за счет проведения обратимых термохимических реакций (так называемые хемотермические системы) с целью повышения охвата энергообеспечения от ядерных энергетических установок.
Известен способ, согласно которому ведут 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, 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 K до 1400 K и давлении 0,6-20,0 МПа (патент РФ №2323351, дата публикации 2005.12.23). Недостатком способа является необходимость использования углеродсодержащего сырья и кислорода для получения водорода и оксида углерода.
В частности, предложен также способ передачи тепловой энергии, в котором поступающий от теплоисточника конвертированный газ смешивают с водородом и направляют в метанатор на синтез (гидрирование оксидов углерода). Процесс идет с выделением тепла, используемого на производство электроэнергии и теплоснабжение. Продукты синтеза отделяют от воды и направляют в установку короткоцикловой адсорбции газов, из которой водород возвращают в метанатор, а метан к теплоисточнику или в систему газоснабжения (патент РФ №2067076, дата публикации 1996.09.27 - прототип). Недостатком предложения является необходимость подпитки системы углеродсодержащим сырьем.
Задача изобретения - создать способ хемотермической передачи тепловой энергии, в котором увеличен коэффициент использования углеродсодержащего вещества, снижен его расход при транспортировке и уменьшены затраты на его прокачку и потери, связанные с выбросом избыточного тепла в атмосферу, улучшены экономические показатели способа хемотермической передачи тепловой энергии.
Поставленная задача решается тем, что: в способе хемотермической передачи тепловой энергии, в котором с помощью тепловой энергии проводят эндотермическую реакцию паровой конверсии углеродсодержащего вещества, неконденсируемые продукты которой охлаждают и передают в реактор экзотермического синтеза углеродсодержащего вещества с образованием водяного пара, возвращают углеродсодержащее вещество на эндотермическую реакцию, отличающийся тем, что образующийся в реакции экзотермического синтеза водяной пар используют в эндотермической реакции.
Кроме того:
- образующийся в реакции экзотермического синтеза водяной пар конденсируют одновременно с охлаждением углеродсодержащего вещества;
- образующийся в реакции экзотермического синтеза водяной пар конденсируют путем нагрева продуктов эндотермической реакции, а затем направляют на испарение и смешение с углеродсодержащим веществом;
- в качестве углеродсодержащего вещества применяют метан, углеводороды, спирты или их смеси;
- эндотермическую реакцию паровой конверсии углеродсодержащего вещества ведут путем конвективного нагрева через теплообменные поверхности;
- в процессе конденсации поддерживают давление выше 1 МПа;
- эндотермическую реакцию паровой конверсии углеродсодержащего вещества ведут при нагреве ядерным реактором при температуре выше 400 K;
- экзотермическую реакцию синтеза углеродсодержащего вещества ведут при отводе тепла к рабочему телу энергоустановки;
- экзотермическую реакцию синтеза углеродсодержащего вещества ведут, как минимум, в две ступени.
Примером реализации изобретения служит способ хемотермической передачи тепловой энергии, описанный ниже.
В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве углеродсодержащего вещества используют метан или природный газ, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам метанирования.
Способ осуществляется следующим образом.
Проводят нагрев и эндотермическую реакцию паровой конверсии метана 1 в химическом реакторе конверсии метана 3 путем нагрева теплоносителем ядерного реактора 2 при температуре выше 900 K в присутствии катализатора и водяного пара при давлении 5-7 МПа, соответствующем давлению теплоносителя высокотемпературного ядерного реактора с целью уменьшения напряжений в теплообменных элементах. Образующийся в реакции синтез-газ и водяной пар охлаждают в конденсаторе 10, конденсируя водяной пар, воду выводят из потока синтез-газа, направляя ее в трубопровод воды 4. Поток синтез-газа в сжатом виде направляют по трубопроводу 5 в реактор экзотермического синтеза метана 6, который выполнен, по крайней мере, двухступенчатым. Реактор экзотермического синтеза метана 6 может располагаться на значительном удалении от ядерного высокотемпературного реактора 2. Синтез метана в реакторе 6 проводят в присутствии катализатора, преимущественно на основе никеля. Может применяться, например, промышленный катализатор типа АНКМ (ТУ 2178-036-47317879-97 с изм.1). Экзотермическую реакцию синтеза метана ведут, как минимум, в две ступени при отводе тепла к рабочему телу (например, водяному пару) 7 энергоустановки 8. Многоступенчатость процесса позволяет не допустить перегрев катализатора и повысить глубину синтеза метана. В качестве энергоустановки 8 может быть использована теплофикационная турбина с отбором тепла на отопительные или технологические нужды. Вывод воды из потоков метана и синтез-газа ведут путем конденсации или сорбции в конденсаторах (адсорберах) 9 и 10 с последующим регенеративным нагревом продуктами синтеза или конверсии метана. В случае сорбции может применяться технология короткоцикловой нагревной или безнагревной адсорбции на угольных или цеолитовых сорбентах. Предпочтительна нагревная адсорбция, позволяющая получать более высокое давление продукта (вода с растворенными в ней углеродсодержащими газами). Поскольку при десорбции вода выходит из сорбента в виде пара, производят (как и в случае вывода воды конденсацией) конденсацию пара, например, за счет нагрева входного потока синтез-газа, который подают на синтез метана.
Для повышения эффективности использования метана в предложенном способе рассматривается только вариант с возвратом воды, полученной путем конденсации или десорбции, в процесс конверсии метана. Данный способ позволяет снизить потери метана, выводимого из хемотермической системы с газообразными продуктами реакций синтеза и конверсии метана, растворенными в воде, а также использовать (вернуть в процесс) энтальпию нагретой воды.
Раздача синтез-газа по трубопроводам хорошо освоена в химической промышленности и позволяет увеличить мощность энергоисточника, например высокотемпературного ядерного реактора, при использовании его в системах хемотермической региональной теплофикации отбором тепла на отопительные или технологические нужды, что дополнительно улучшит экономичность данной технологии.
Помимо метана в качестве углеродсодержащего вещества могут применяться также углеводороды, спирты или их смеси. В частности, хорошо освоены процессы конверсии и синтеза метанола, бензола-циклогексана и других углеродсодержащих веществ.
Таким образом, указанный способ позволит поддерживать высокий коэффициент использования углеродсодержащего вещества, снизить его расход при транспортировке и уменьшить затраты на его прокачку и потери, связанные с выбросом избыточного тепла в атмосферу, улучшить экономические показатели способа хемотермической передачи тепловой энергии - задача изобретения.