СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD OF OBTAINING THERMAL ENERGY

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам получения тепловой энергии из углеводородного сырья и может быть использовано в теплоэнергетике, электроэнергетике, в химической и нефтехимической и др. отраслях промышленности.
В настоящее время с целью снижения выбросов углекислого газа в атмосферу ищутся пути перевода энергетики с процесса сжигания углеводородов на процесс сжигания водорода. В известных способах эта цель достигается выделением водорода из углеводородов разными методами (пиролиз и т.д.). При этом все существующие методы энергозатратны, что приводит к неприемлемо высокой стоимости полученной таким образом энергии.
Известен способ получения тепловой энергии путем двухстадийного сжигания газообразного углеводородного топлива, заключающийся в том, что предварительно на первой стадии осуществляют частичное каталитическое окисление углеводородного топлива с получением синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода, а на второй стадии смешивают синтез-газ с дополнительным количеством воздуха и осуществляют сжигание полученной смеси синтез-газа с воздухом (RU 2350839, 2009 г.). В известном техническом решении в процессе сжигания обеспечивают общий коэффициент избытка воздуха, а также используют различные катализаторы.
Известен способ получения тепловой энергии путем двухстадийного сжигания газообразного углеводородного топлива, заключающийся в том, что предварительно осуществляют сжатие окислителя, содержащего кислород, сжигание осуществляют под давлением смеси горючего и сжатого окислителя и используют часть горячих газов, полученных сжиганием под давлением, для проведения этапа дожигания смеси горячих газов, причем в качестве окислителя в процессе дожигания применяют смесь кислорода и диоксида углерода (RU 2309275, 2007 г.). Использование в известном техническом решении в качестве горючего природного газа характеризуется наличием в отходящих газах диоксида углерода.
Известен способ получения тепловой энергии, заключающийся в том, что сжигают топливную смесь, включающую окислитель, в качестве которого используют кислород, и природный газ, преимущественно метан (RU 2154185, 2000 г.). В известном техническом решении после воспламенения топливной смеси дополнительно подают пероксид водорода, смешивая его с природным газом, при использовании катализатора, способствующего наиболее полному разложению пероксида водорода и дополнительному окислению пероксидом водорода окиси углерода до углекислого газа.
Известные технические решения, указанные выше, представляют собой двухстадийные способы получения тепловой энергии, характеризующиеся существенным ухудшением полноты сгорания топлива и как следствие снижением к.п.д. и ни одно из них не позволяет снизить количества выбросов углекислого газа.
x
2
2
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ получения тепловой энергии путем сжигания углеводородного топлива, заключающийся в том, что. осуществляют сжигание топлива в режиме избытка топлива (RU 2262039, 2005 г.). В известном техническом решении осуществляют раздельный подвод топлива и воздуха, причем сжигание в центральной области осуществляют в режиме избытка топлива, а на периферии факела - в режиме избытка воздуха. Образование окислов азота (NO) в процессе сжигания топлива зависит от температуры, и при ее снижении уменьшается, причем не влияет на снижение уровня окислов углерода (СО и СО). С этой целью в процессе сжигания в центральную область факела подают пар, а также накладывают поле акустических колебаний, что препятствует образованию крупных частиц углерода. Известное техническое решение позволяет сократить выбросы только окислов азота. При этом в процессе сжигания топлива вынос в окружающую среду окислов углерода (СО и СО) увеличивается, т.к. необходимы затраты энергии на получение пара и акустических колебаний, что приводит к снижению к.п.д. установки.
Таким образом, общим существенным недостатком известного технического решения является низкая экологическая эффективность,
Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в разработке способа получения тепловой энергии, обеспечивающего повышение экологической эффективности способа.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемым изобретением, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании способа получения тепловой энергии, обеспечивающего повышение экологической эффективности способа за счет снижения выброса оксидов углерода путем сжигания преимущественно водорода и выделения углерода из выхлопных газов.
3
3
2
2
Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа получения тепловой энергии, заключающегося в сжигании углеводородного топлива при недостаточном доступе окислителя, согласно предлагаемому изобретению, предварительно осуществляют перемешивание углеводородного топлива с окислителем, а в процессе сжигания создают переобогащенную смесь при соотношении окислителя к топливу в диапазоне от 0,25 до 8,0 м окислителя на 1,0 м газообразного или 1 литр жидкого топлива, в качестве окислителя используют кислород или воздух, фиксируют в продуктах сгорания наличие углеводородного топлива, окиси и двуокиси углерода (СО и СО), причем возможна фиксация только одного или любых двух из трех указанных параметров - остатков углеводородного топлива, СО или СО. При уменьшении или увеличении их содержания соответственно увеличивают или уменьшают подачу окислителя, причем в пределах указанного диапазона.
Существенность отличительных признаков предлагаемого технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая изобретение обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.
Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно: после выделения углерода из продуктов сгорания смеси последние подвергают вторичному сжиганию без ограничения доступа кислорода.
Способ осуществляется следующим образом.
3
3
Сжигание углеводородного топлива (например, природного газа) производится при ограниченной подаче окислителя. При этом предварительно смешивают углеводородное топливо с окислителем, в качестве которого используют кислород или окружающий воздуха, в процессе сжигания создают переобогащенную смесь с соотношением окислителя к топливу в диапазоне от 0,25 до 8,0 м окислителя на 1,0 м газообразного или на 1 литр жидкого топлива.
4
4
10
2
Определение оптимального соотношения количества горючего и окислителя, обеспечивающего их сгорание с выделением максимального количества тепловой энергии на следующем примере соотношения количества горючего и окислителя: горючий газ - метан (СН), бутан (СΗ), окислитель - кислород (О).
Известно, что горение углеводородов при недостатке кислорода приводит к появлению продуктов неполного окисления - угарного газа (СО) и углерода (С).
Формулы сгорания газов при разных пропорциях окислителя:
- для метана
4
2
2
2СН+3О=2СО+4НО
4
2
2
СН+О=С+НО
- для бутана
4
10
2
2
2
6СН+31О=8СО+8СО+8С+30НО
4
10
2
2
2СН+9О=8СО+10Н О
4
10
2
2
2СН+5О=8С+10НО
Из приведенных формул следует, что при ограничении подачи кислорода весь водород сгорает, а углерод сгорает частично, или выделяется в чистом виде. Таким образом, сжигать только водород из углеводородов при сжигании можно не путем его выделения, а путем снижения подачи кислорода (окислителя). Преимущество предложенного технического решения в том, что стоимость полученной таким образом тепловой энергии в разы меньше, чем в известных способах, при которых водород сначала извлекается и только потом сжигается. Кроме того, эффективность предложенного способа повышается за счет попутного извлечения ценного сырья - чистого углерода.
3
Расход окислителя на 1 кг (1 м) газообразного топлива представлен в таблице:
4
3
8
4
10
Необходимо отметить, что метан (СН), пропан (СН) и бутан (СН) чаще всего используются не по отдельности, а как смесь горючих газов. Поэтому требуемое количество окислителя для полного сгорания смеси будет зависеть от процентного соотношения каждого из компонентов.
Кроме того, необходимо учитывать, что в воздухе или техническом кислороде присутствуют другие компоненты, которые под действием высоких температур горения сами вступают в реакцию окисления и тем самым снижают долю окислителя, приходящуюся на горючий газ.
2
2
2
3
3
3
3
3
3
При сжигании природного газа большая часть пламени имеет сине-голубой цвет. Это обусловлено тем, что в этой части пламени сгорает водород, потеря которого молекулами газа приводит к появлению в этой части пламени частиц углерода (С) и (СН), которые придают пламени сине-голубой цвет. В верхней части пламя меняет цвет с сине-голубого на красный, что является признаком сгорания углерода, который выделяется в нижней и средней части пламени. Перед сжиганием необходимо тщательно смешать углеводородное топливо с окислителем (кислородом или воздухом), т.к. в противном случае в процессе горения образуются зоны с избытком кислорода, в которых частично сгорает углерод, и зоны без кислорода, где топливо под действием температуры частично разлагается на углерод и водород, т.е. происходит процесс пиролиза. В результате отводимые газы будут представлять собой смесь углерода (не выделенные частицы), водорода, окиси и двуокиси углерода (СО и СО), и газообразного углеводородного топлива. Соотношение окислителя к топливу выбирают в диапазоне от 0,25 до 8,0 м окислителя на 1,0 мгазообразного и 1 литр жидкого топлива. При этом количество окислителя на первом этапе реализации способа получения углерода менее 0,25 м на 1,0 м газообразного и 1 литр жидкого топлива не обеспечивает поддержания требуемой температуры горения и приводит к постепенному затуханию пламени, а при количестве окислителя более 8,0 м на 1,0 м газообразного и 1 литр жидкого топлива в процессе сгорания происходит образование окислов углерода. Регулирование подачи окислителя в необходимом объеме осуществляют в процессе отслеживания содержания несгоревшего топлива и/или СО и СО, причем возможна фиксация только одного или любых двух из трех указанных параметров - остатков углеводородного топлива, СО или СО, В процессе сжигания фиксируют количество этих газов на выходе из камеры сгорания, а при уменьшении или увеличении их количества соответственно увеличивают или уменьшают подачу окислителя, причем в пределах указанного диапазона. Если в результате реализации процесса сжигания отводимые газы содержат несгоревшее газообразное углеводородное топливо и/или СО и невыделенные частицы углерода, то для повышения эффективности процесса отводимые в окружающую среду после выделения углерода из продуктов сгорания смеси последние подвергают вторичному сжиганию без ограничения доступа кислорода. В этом случае реализация предлагаемого способа дополнительно обеспечивает максимальную отдача тепла, при этом остатки природного газа, не выделенного углерода и угарного газа сжигаются, что позволяет также исключить установку фильтров для улавливания не выделенных на первом этапе реализации способа частиц углерода, а углекислый газ в атмосферу выделяется в значительно меньшем объеме, что обеспечивает повышение экологической эффективности способа за счет снижения неблагоприятного воздействия продуктов сгорания на окружающую среду.
Горение углеводородного топлива в переобогощенной смеси приводит к образованию углерода. Последний в зависимости от поставленной задачи может быть структурирован различным образом в требуемой форме (от простой сажи до нанотрубок и фуллеренов). Характеристики полученного углерода определяются температурой сгорания углеводородного топлива и другими условиями реализации процесса. При этом сжигание углеводородного топлива, например метана, с ограничением подачи кислорода в качестве окислителя (переобогащенной смеси) позволяет получить тепло в количестве более 50% по сравнению со сжиганием при достаточном количестве кислорода, и это тепло может быть использовано для отопления, выработки «чистой» электроэнергии и для других целей.
3
3
2
2
Таким образом, предварительное перемешивание углеводородного топлива с окислителем, создание в процессе непрерывного сжигания переобогащенной смеси при соотношении окислителя к топливу в диапазоне от 0,25 до 8,0 м окислителя на 1,0 м газообразного и 1 литр жидкого топлива, фиксация в процессе сжигания в продуктах сгорания наличия остатков топлива, окиси и двуокиси углерода (СО и СО), причем возможна фиксация только одного или любых двух из трех указанных параметров - остатков углеводородного топлива, СО или СО, и увеличение или уменьшение подачи окислителя соответственно при уменьшении или увеличении их содержания в пределах указанного диапазона существенно снижает выброс углерода и его оксидов в окружающую среду за счет выделения углерода из процесса горения, что обеспечивает повышение экологической эффективности способа.