ГЕНЕРИРОВАНИЕ ВОДОРОДА НА БОРТУ В РЕАКЦИИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДЫ С МЕТАЛЛАМИ
ON BOARD HYDROGEN PRODUCTION VIA REACTION OF INTERACTION OF WATER AND METALS
Статья поступила в редакцию 20.01.15. Ред. рег. № 2168
The article has entered in publishing office 20.01.15. Ed. reg. No. 2168
УДК 662.612
НОВЫЙ ТИП ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НЕБОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ ГОРЕНИЯ ВОДНОЙ СУСПЕНЗИИ АЛЮМИНИЯ И СЖИГАНИЯ БИОГАЗА В МАТРИЧНЫХ ГОРЕЛКАХ
В.М. Шмелев, B.C. Арутюнов*, A.A. Захаров
ФГБУН Институт химической физики им. H.H. Семенова РАН Россия 119991, Москва, ул. Косыгина, 4 e-mail: arutyunov@chph.ras.ru
doi: 10.15518/isjaee. 2015.01.004
Заключение совета рецензентов: 22.01.15 Заключение совета экспертов: 27.01.15 Принято к публикации: 30.01.15
Предложен новый тип высокоэффективных экологически чистых энергоустановок небольшой мощности на основе возобновляемых энергоносителей как органической, так и неорганической природы: биогаза и алюминия. Окисление алюминия в водной суспензии происходит в волне горения в высокотемпературном реакторе при давлениях до 100 атм и температурах 2 500 - 3 000 оС с раздельной генерацией водорода и энергетического пара. На первой стадии происходит горение водно-алюминиевой суспензии стехиометрического состава с образованием водорода и твердого каркаса из раскаленного оксида алюминия. На второй стадии после отбора водорода в реактор подается дополнительное количество воды, превращающейся при взаимодействии с раскаленным оксидом алюминия в высокопотенциальный пар. После удаления твердого оксида алюминия процесс может быть повторен. При этом удается избежать попадания мелкодисперсных частиц корунда в энергоустановку. В качестве устройства для сжигания низкокалорийного биотоплива используется объемная матричная горелка. Возможность устойчивого горения низкокалорийного биогаза в такой гибридной энергоустановке обеспечивается как особенностями горелочного устройства на основе объемной матрицы, так и подачей в него водорода, генерируемого при горении водно-алюминиевой суспензии. Таким образом, данная комбинированная энергоустановка позволяет совместить процессы горения двух различных типов возобновляемых энергоносителей в единый энергетический процесс, в котором образующийся при окислении алюминия водород поддерживает устойчивое горение в матричном горелочном устройстве низкокалорийного биогаза, обеспечивая тем самым экологически чистое производство энергии из возобновляемых энергоносителей для распределенной энергетики.
Ключевые слова: распределенная энергетика, возобновляемые источники, горение алюминия, биогаз, матричные горелки.
NEW TYPE OF ECOLOGICALLY CLEAN SMALL-SCALE POWER PLANTS BASED ON FAST COMBUSTION OF WATER-ALUMINUM SUSPENSION AND BIOGAS
COMBUSTION IN MATRIX BURNERS
V.M. Shmelev, V.S. Arutyunov, A.A. Zakharov
Semenov Institute of Chemical Physics, RAS 4 Kosygina Str., Moscow, 119991 Russian Federation e-mail: arutyunov@chph.ras.ru
Referred 22 January 2015 Received in revised form 27 January 2015 Accepted 30 January 2015
The paper describes the new type of highly effective ecologically clean small-scale power plants that use renewable energy resources of both organic and inorganic origin, notably biogas and aluminum. The oxidation of aluminum in water suspensions proceeds in combustion wave in high temperature reactor at pressures up to 100 atm and temperatures 2500-3000oC. The process let separate generation of hydrogen and high temperature steam. The first stage involves the combustion of water-aluminum suspension of stoichiometric composition with the production of hydrogen and rigid frame of very hot aluminum oxide. At the second stage after hydrogen removing the additional portion of water is introduced into reactor. At the interaction with hot aluminum oxide this water converts to high temperature steam. After aluminum oxide removing the process can be repeated. Such process enables us to escape the penetration of highly dispersed corundum particles in power plant. As a combustor for low calorific biogas a volumetric matrix burner is used. The possibility of stable combustion of low calorific biogas in such combine power plant is provided both by the peculiarities of matrix combustors and addition of hydrogen generated at the combustion of water-aluminum suspension. Thus, such combination enables us to use two different types of renewable energy sources in combined device. At that, aluminum oxidation produces hydrogen that provides sustained combustion of low calorific biogas in matrix burner for ecologically clean distributed power generation from renewable sources.
Key words: distributed energy, renewable energy resources, combustion of aluminum, biogas, matrix burners.
Шмелев Владимир
Михайлович VladimirM. Shmelev
Сведения об авторе: доктор физ.-мат. наук, профессор, заведующий Лабораторией горения ФГБУН Института химической физики им. H.H. Семенова РАН.
Образование: Московский инженерно-физический институт.
Область научных интересов: неравновесные процессы, воспламенение, горение, детонация, взрыв.
Публикации: 200.
Information about the author:
Dr. Sci. (in Physics), Professor, Head of Laboratory, Semenov Institute of Chemical Physics, RAS.
Education: Moscow Institute of Engineering and Physics.
Area of researches: non-equilibrium processes, ignitions, combustion, detonation, explosions.
Publications: 200.
M, луV.
- С -
'ДО
с О
Арутюнов Владимир
Сергеевич Vladimir S. Arutyunov
Сведения об авторе: доктор химических наук, профессор, заведующий Лабораторией окисления углеводородов ФГБУН Института химической физики им. H.H. Семенова РАН; профессор кафедры газохимии РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина; иностранный член Национальной академии наук Республики Армения.
Образование: Московский физико-технический институт.
Область научных интересов: кинетика газофазных реакций, окисление и переработка углеводородов, кинетическое моделирование, экологические проблемы энергетики и транспорта, социология науки.
Публикации: 350.
Information about the author: Dr. Sci. (Chemistry), Professor, Head of Laboratory, Semenov Institute of Chemical Physics, RAS.
Education: Moscow Institute of Physics and Technology.
Area of researches: kinetics of gas phase reactions, oxidation and processing of hydrocarbons, kinetic simulation, ecological issues of energy and transportation, sociology of science.
Publications: 350.
-О
N
Захаров Александр Алексеевич Alexandr A. Zakharov
Сведения об авторе: научный сотрудник Лаборатории окисления углеводородов ФГБУН Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН. Работал в:
Московском Акустическом институте им. Н.Н. Андреева по направлениям гидроакустика и распознавание звуковых образов;
Всесоюзном внешнеторговом объединении «Электроноргтехника», импорт - экспорт средств вычислительной техники и матобеспечения;
заместителем главы представительства «ИТЕРА Пет Лимитед» Кипр;
заведующим лабораторией новых энергетических устройств в ГНУ ГОСНИТИ.
Образование: Московский Авиационный институт им. С. Орджоникидзе и дневное отделение Всесоюзной академии внешней торговли по специальности «Экономист по внешнеэкономическим связям».
Область научных интересов: альтернативная энергетика (тепловые насосы), экология, вопросы горения, переработка углеводородов.
Публикации: 25.
Information about the author:
Scientific Researcher of Laboratory, Semenov Institute of Chemical Physics, RAS.
Previous positions: N.N. Andreev Acoustic Institute, All-USSR Foreign Trade Organization "Elektronorgtechnika",
Deputy Head of agency of "ITERA Pet Limited", Cyprus,
Head of Laboratory, GNU GOSNITY.
Education: Moscow Aviation Institute, National Academy of Foreign Trade.
Area of researches: alternative energy, ecology, combustion, processing of hydrocarbons. Publications: 25.
Введение
Одной из ведущих тенденций современной энергетики стало развитие систем децентрализованного энергоснабжения и резервирования мощностей. Децентрализация энергоснабжения за счет местных и индивидуальных источников энергии, работающих на складируемых энергоресурсах, позволяет наиболее эффективно исключить угрозу прерывания энергоснабжения вследствие техногенных катастроф и системных аварий, вероятность которых по мере развития техносферы непрерывно нарастает. Децентрализованная энергетика также дает возможность ликвидировать региональные диспропорции в развитии энергетики. В связи с этим прогнозируется увеличение к 2030 г. доли местных и индивидуальных источников энергии (в том числе для резервирования мощности, получаемой от централизованных источников) до 25-30 % мирового энергопотребления [1, 2]. Кроме того, в ряде случаев выгоднее экономить на электрических сетях, чем на оборудовании электростанций. Сооружение малых электростанций при некотором росте стоимости оборудования сильно снижает затраты на электрические сети. Особенно эффективна децентрализация в теплоснабжении [3]. При этом, несмотря на общее увеличение установленной мощности и снижение загрузки, повышается эффективность использования энергоресурсов, снижаются их потери.
При развитии децентрализованной энергетики, как правило, упор делается на использовании местных и возобновляемых источников энергии. Важным требованием является доступность и простота складирования используемых энергоресурсов. Кроме того, предъявляются высокие требования к экологическим параметрам энергоустановок, особенно в тех
случаях, когда их размещение планируется вблизи густонаселенных жилых комплексов.
В настоящей работе предложен новый тип высокоэффективных экологически чистых энергоустановок небольшой мощности, использующих в качестве топлива сочетание таких возобновляемых видов энергоносителей, как биогаз и алюминий. Этот подход базируется на эффективном методе сжигания алюминия с использованием технологии «быстрого реактора», а также новой технологии экологически чистого сжигания низкокалорийных видов топлива в объемных матричных горелочных устройствах.
Окисление мелкодисперсного алюминия в водной среде
Окислени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.