СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА В ЭНЕРГОУСТАНОВКАХ
METHOD OF FUEL COMBUSTION IN POWER PLANTS

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при создании энергетических установок, потребляющих в качестве топлива природный газ, другие виды газообразного топлива, например биогаз, а также легкие металлы, например алюминий.
Известен способ сжигания органического топлива в камере сгорания газотурбинной установки, включающий подачу в жаровую трубу воздуха и водяного пара для неполного сгорания топлива и последующее его дожигание (RU 2042886, F23R 3/34, 1995). Отличительной особенностью указанного способа является то, что дожигание топлива осуществляют по меньшей мере в две стадии. Причем неполное сжигание топлива производят с коэффициентом избытка окислителя 0,4-0,8, а дожигание в обеих стадиях - с возрастающим коэффициентом избытка окислителя и не менее 0,6 при первой стадии дожигания.
Недостатком известного способа является высокий уровень вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода.
Известен способ турбулентного факельного сжигания топлива в камере сгорания ГТУ в диффузионном режиме с последующим диффузионным разбавлением продуктов сгорания воздухом (Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. - М.: Мир. 1986, с.22-23).
Недостатком данного способа является высокий уровень вредных выбросов, прежде всего оксидов азота и монооксида углерода. В процессе диффузионного смешения топлива со вторичным воздухом, протекающим по всей длине камеры сгорания ГТУ, не удается достигнуть необходимой степени обеднения топливовоздушной смеси непосредственно в области горения, поэтому не обеспечивается достаточно низкий уровень образования оксидов азота, соответствующий современным экологическим требованиям. Снижение температуры в результате ввода вторичного воздуха ухудшает условия для конверсии монооксида углерода и других продуктов неполного сгорания топлива. Поэтому для их догорания требуется значительное увеличение длины камеры сгорания (жаровой трубы). Кроме того, турбулентный характер и высокая температура горения приводят к высоким термическим и газодинамическим нагрузкам на поверхность камеры сгорания (жаровой трубы), что приводит к сокращению ресурса ее работы.
Известен способ получения энергии, при котором металлический проводник взрывают импульсом электрического тока, получая алюминиевый порошок, который вступает в реакцию с водой при высокой температуре и давлении. Полученную смесь направляют в камеру, оборудованную теплообменником, где водород очищают от продуктов реакции. Тепло и очищенный водород направляют потребителю (US 5143047, F24J 1/00, 1992).
Недостатком указанного способа является необходимость проведения достаточно сложных мероприятий по обеспечению безопасности работ.
Наиболее близким к заявляемому является способ сжигания топливно-воздушной смеси в горелочном устройстве с проницаемыми объемными матрицами (Шмелев В.М. Горение природного газа на поверхности из высокопористой металлической пены. Химическая Физика, 2010. Т.29, №7, с.1-10). Использование горелочного устройства с проницаемыми объемными матрицами позволяет сжигать низкокалорийное топливо, например биогаз. Однако температура продуктов горения (1200-1300°C) недостаточна для современных энергетических установок (~1500°C). Кроме того, диапазон регулирования мощности горелочного устройства с проницаемыми объемными матрицами недостаточно широк.
Авторы решали задачу по созданию способа сжигания топлива, лишенного указанных недостатков. Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении тепловой эффективности и надежности работы энергоустановок.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения указанного технического результата предлагается способ сжигания топлива в энергоустановках, включающий сжигание в горелочном устройстве с проницаемыми объемными матрицами топливно-воздушной смеси. Отличительной особенностью заявляемого способа является то, что топливно-воздушную смесь перед вводом в горелочное устройство обогащают водородом, полученным при высокотемпературном окислении металла водой.
Дополнительно предлагается для получения водорода использовать металл, выбранный из группы: алюминий, магний, литий.
Дополнительно предлагается для получения водорода использовать металлический порошок фракцией не более 100 мкм.
Дополнительно предлагается для получения водорода использовать воду и металлический порошок в виде суспензии, в которую полезно вводить добавки 1-5% фторидов лития и/или натрия, и/или калия, и/или хлорида натрия.
Дополнительно предлагается для получения водорода использовать воду в стехиометрическом соотношении по отношению к окисляемому металлу.
Дополнительно предлагается получение водорода проводить в условиях, при которых вода находится в сверхкритическом состоянии при давлении выше 300 атм.
Тепло твердых продуктов окисления металла может быть использовано для получения пара.
Дополнительно предлагается водород и пар выводить из реактора и использовать раздельно, в том числе путем подачи пара в теплосеть, при этом получение водорода и пара может быть осуществлено попеременно в одном из нескольких последовательно работающих реакторов.
Дополнительно предлагается продукты сгорания на выходе из горелочного устройства перед подачей на энергоустановку смешивать с водяным паром, полученным при нагревании воды оксидом металла после его высокотемпературного окисления в реакторе.
Также дополнительно предлагается для получения топливно-воздушной смеси использовать биогаз.
Обогащение топливно-воздушной смеси перед вводом в горелочное устройство водородом, полученным при высокотемпературном окислении металла водой, позволяет, во-первых, при сжигании низкокалорийного топлива получать достаточно высокую температуру продуктов горения, во-вторых, обеспечить устойчивость горения в широком диапазоне регулирования мощности горелки, в-третьих, использовать тепло оксида алюминия, образующегося от взаимодействия алюминия с водой. Таким образом достигается технический результат.
Использование металлического порошка фракцией более 100 мкм приводит к неполноте его сгорания.
Использование добавок 1-5% фторидов лития и/или натрия, и/или калия, и/или хлорида натрия в суспензию воды и металлического порошка, например, алюминия, позволяет разрушить целостность оксидной пленки, окружающей каждую частицу металла, и тем самым обеспечить легкую воспламеняемость металла и устойчивость процесса горения.
На прилагаемом чертеже представлена схема установки, реализующей заявляемый способ, где 1 - емкость для хранения алюминиевого порошка, 2 - смеситель, 3 - насос высокого давления, 4 - реактор, 5 - горелочное устройство с проницаемыми объемными матрицами, 6 - емкость для сбора корунда, 7 - газовая турбина, установленная на одном валу с паровой турбиной 8.
Способ осуществляют следующим образом. Воду и порошок алюминия подают в смеситель 2, где получают суспензию, которую насосом высокого давления 3 подают в реактор 4, где происходит реакция окисления алюминия с выделением водорода и образованием оксида алюминия. Образовавшийся в реакторе 4 водород подают в горелочное устройство с проницаемыми объемными матрицами, смешивая его с биогазом и воздухом. После удаления водорода из реактора 4 отбирают тепло от оксида алюминия. Для этого в реактор 4 подают воду, превращая ее в пар под давлением. Этот пар пропускают через емкость для сбора корунда 6, затем подают на паровую турбину 8. Продукты горения горелочного устройства 5 подают на газовую турбину 7.