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, которое по совокупности существенных признаков наиболее близко к предлагаемому изобретению и которое можно выбрать в качестве прототипа. Металлотермическое топливо содержит 40-45% окиси железа, 20-22% порошка алюминия, 30-35% окиси алюминия, остальное - гидролизованный этилсиликат. Недостаток данного состава топлива состоит в скоротечном прохождении процесса сгорания, что делает затруднительным его практическое применение в промышленных и бытовых целях.
Технической задачей данного изобретения является создание более высококалорийного по сравнению с прототипом металлотермического топлива с более длительным временем горения.
Поставленная задача решается применением в составе топлива вместо окиси железа природно-распространенной окиси хрома, которая более теплоемка. Для увеличения времени горения в состав металлотермического топлива введена химически пассивная балластная добавка - окись алюминия (глинозем). Приведенные ингредиенты способствуют практическому использованию предложенного металлотермического топлива.
Известно, что процесс горения металлотермического топлива состоит в том, что входящие в его состав ингредиенты, 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 реакция и смеси порошка окиси хрома и порошка алюминия.
2
3
2
3
CrO+Al→AlO+Cr+Q
Количество тепла Q, выделяемого при металлотермической реакции, по расчетным данным составляет 50-80 тысяч ккал/кг, т.е в 10-18 раз больше теплового эффекта от сгорания угля, нефти, газа (Ворошнин Л.Г. «Антикоррозионные диффузионные покрытия», Минск, «Наука и техника», 1981, стр.296).
Для решения поставленной задачи и определения оптимального соотношения компонентов металлотермической смеси были проведены подробные исследования по оценке теплотворной способности объекта с изменением соотношения окиси хрома и алюминия. Для этого была спроектирована и изготовлена специальная установка по измерению температуры и времени горения металлотермической смеси.
Составы исследованных композиций и результаты измерений температуры и времени их горения приведены в таблице 1.
Таблица 1
Составы исследованных металлотермических смесей
№
Состав смеси, мас.%
Температура среды, °С
Время горения, секунды
1
90% Cr<sub>2</sub>O<sub>3 </sub>+ 10% Al
1050
40
2
80% Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 20% Al
1960
25
3
70% Cr<sub>2</sub>O<sub>3 </sub>+ 30% Al
2400
17
4
60% Cr<sub>2</sub>O<sub>3 </sub>+ 40% Al
2800
12
Из этих данных можно заключить, что по температуре горения рациональное содержание алюминия составляет 20%. Все же температура сгорания этого состава (1960°C) является недопустимо высокой для топок, печей, котлов. Поэтому для снижения температуры сгорания было решено ввести в состав металлотермического топлива теплопоглотитель - балластную добавку, химически пассивную для данного восстановителя. Такой добавкой выбрана окись алюминия (глинозем).
Далее было проведено исследование теплового эффекта при сжигании смесей с оптимальным содержанием восстановителя (20% алюминия) и изменяющимся количеством теплопоглотителя (табл 2).
Таблица 2
Влияние содержания балластной добавки на температуру и время сгорания металлотермической смеси
№
Состав смеси, мас.%
Температура, °С
Время горения, с
1
70% Сr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 10% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 20% Al
1840
30
2
60% Сr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 20% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 20% Al
1610
40
3
50% Сr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 30% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 20% Al
1260
50
4
40% Сr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 40% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 20% Al
1180
60
5
30% Сr<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 50% Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> + 20% Al
980
75
Исследование показало, что наиболее практически пригодной является металлотермическая смесь, содержащая 30% балластной добавки. При сжигании смеси такого состава температура окружающей среды повышалась до 1200°С за 50 сек, что вполне приемлемо для топок печей.
Новизна темы состоит в том, что при решении поставленной задачи расширяется круг используемых теплоносителей, позволяющих заменять катастрофически исчезающие углеводородные источники, чрезмерное использование которых может привести человечество через 40-50 лет к тепловому кризису.
Металлотермические среды имеют неиссякаемые запасы в земной коре и могут с успехом заменить для человека катастрофически иссекающие запасы углеродного и углеводородного сырья.
Не менее важна и другая положительная роль металлотермического топлива для человека - оно горит без потребления атмосферного кислорода и без вредных газовых выбросов в атмосферу, т.е. экологически безопасно. Более того, утилизация отходов горения металлотермического топлива целесообразна, т.к. они содержат чистые восстановленные металлы (Cr, Fe) и их извлечение приносит дополнительную прибыль.
Предлагаемое топливо может поставляться потребителю в виде твердых брикетов (бытовое назначение) и порошковых пакетов (промышленное использование). Расчеты показывают, что предлагаемое топливо на базе окиси хрома в 5-7 раз дешевле углеводородного эквивалента.