МЕТАЛЛОТЕРМИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО
METALLOTHERMIC FUEL

Изобретение относится к нетрадиционным источникам тепловой энергии, в частности к металлотермическим топливам, используемым с целью получения тепловой энергии для бытовых и промышленных нужд.
Известно металлотермическое топливо по патенту RU №2254359 и RU №2416627, которые по совокупности существенных признаков наиболее близки к предлагаемому изобретению и которые можно выбрать в качестве прототипа. Металлотермическое топливо по первому патенту содержит 40-45% окиси железа, 20-22% порошка алюминия, 30-35% окиси алюминия, остальное - гидролизованный этилсиликат. По второму патенту содержит окись хрома 50-60%, порошок алюминия 20-25%, окись алюминия - остальное. В состав обоих топлив входит порошок алюминия.
Недостаток данных изобретений состоит в том, что в составе металлотермического топлива используются довольно ограниченные в земной коре компоненты (окись железа, окись хрома), а сгорание топлива происходит в скоротечном режиме, что делает затруднительным его практическое применение.
Технической задачей данного изобретения является создание более доступного по используемым компонентам высококалорийного металлотермического топлива с более длительным временем горения.
Поставленная задача решается применением в составе топлива вместо окиси железа и окиси хрома природно-распространенной окиси алюминия, которая более теплоемка по сравнению с ними. Для увеличения времени горения в состав металлотермического топлива введена химически пассивная балластная добавка - природный магнезит (окись магния).
Известно, что процесс горения металлотермического топлива состоит в том, что входящие в его состав компоненты при нагреве до температуры возбуждения восстановительной реакции (700…800°С) вступают во взаимодействие с выделением большого количества тепла (Байков А.А. «Восстановление и окисление металлов», «Металлургия», 1926). То есть согласно теории любой химический элемент, стоящий впереди в ряду активности металлов, при химическом реагировании вытесняет из его окислов элемент, стоящий после него в этом ряду, и реакция сопровождается огромным тепловыделением. Такой же процесс происходит при реакции смеси порошка окиси алюминия и порошка магния.
2
3
АlO+Mg---MgO+Al+Q
Количество выделяемого тепла Q по расчетным данным (Ворошнин Л.Г. «Антикоррозионные диффузионные покрытия», Минск, «Наука и техника», 1981 г., с.296) составляет 50-80 тысяч ккал/кг, т.e. в 10-15 раз больше теплового эффекта от сгорания угля, газа и нефти.
Для решения поставленной задачи и выявления оптимального соотношения компонентов предлагаемой металлотермической смеси были проведены подробные эксперименты по определению теплотворной способности объекта с изменением соотношения окиси алюминия и магния. Для этого спроектирована и изготовлена специальная установка по измерению температуры и времени горения металлотермической смеси. Составы исследованных композиций и результаты измерения температуры и времени их горения приведены в таблице 1.
Таблица 1
№
Состав смеси, мас.%
Температура среды, °С
Время горения, с
1
95% Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>+5% Mg
1100
50
2
85% Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>+15% Mg
2000
30
3
80% Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>±20% Mg
2400
20
4
70% Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>+30% Mg
3000
10
Из табличных данных видно, что по температуре горения рациональное содержание порошка магния составляет 10-15%, но при этом температура горения этого состава (2000°С) является недопустимо высокой для топок печей, котлов. Поэтому для снижения температуры горения решено ввести в состав металлотермического топлива теплопоглотитель - балластную добавку, химически пассивную для данного восстановителя. В качестве такой добавки выбрана окись магния (магнезит). Были проведены дополнительные исследования по оптимизации содержания балластной добавки металлотермической смеси по температуре и времени горения топлива. Результаты этих исследований отражены в таблице 2.
Таблица 2
№
Состав смеси, мас.%
Температура среды, °C
Время горения, с
1
90 (85% Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>+15% Mg)+10 MgO
1900
30
2
80 (85% Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>+15% Mg)+20 MgO
1640
50
3
70 (85% Аl<sub>2</sub>О<sub>3+</sub>+15% Mg)+30 MgO
1280
60
4
60 (85% Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>+15% Mg)+40 MgO
1100
75
5
50 (85% Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub>+15% Mg)+50 MgO
990
90
Из полученных данных видно, что наиболее практически пригодной является металлотермическая смесь, содержащая 25-30% балластной добавки - окиси магния. При сжигании такой смеси температура окружающей среды повышается до 1280 градусов за 60 с, что вполне приемлемо для применения в топках печей, котлов.
Новизна темы состоит в том, что при решении поставленной задачи расширяется круг используемых ингредиентов, позволяющих заменить катастрофически исчезающие углеводородные источники, чрезмерное использование которых может привести человечество к энергетическому кризису. Металлотермические источники имеют неиссякаемые запасы в земной коре и с успехом могут заменить углеводородное сырье. Особая положительная роль металлотермического топлива состоит в том, что оно горит без потребления атмосферного кислорода и без отравляющих газовых выбросов, т.е. экологически безопасно. Более того, отходы горения металлотермического топлива (шлаки) содержат до 8% чистых восстановленных металлов (железо, хром, алюминий), и их извлечение может принесет дополнительную прибыль. Предлагаемое топливо может поставляться потребителю в виде брикетов (бытовое назначение) и порошковых пакетов (промышленное использование). Расчеты показывают, что топливо на базе окиси алюминия в 6-8 раз дешевле углеводородного эквивалента.