Разработка научных и технологических основ создания эффективных алюмоводородных источников энергии

Глава 5 посвящена рассмотрению основных принципов и результатов разработки опытных стационарных энергетических и энерготехнологических установок. Хотя сегодня технологии стационарной алюмоэнергетики уступают традиционным энерготехнологиям по стоимостным параметрам, они имеют хорошие перспективы продвижения. Основное преимущество «зеленой» технологии состоит в отсутствии вредных выбросов на месте выработки энергии и водорода. Практически полностью инертны не только алюминий, но и образующиеся оксиды алюминия. Кроме того, они могут быть полностью использованы в других технологических циклах. Себестоимость производства энергии на алюмоэнергетической установке может быть снижена до уровня, сопоставимого с аналогичным показателем генерирующей установки на дизельном топливе. В этом случае наряду с решением задачи повышения эффективности функционирования топливно-энергетического хозяйства проблемных регионов, можно решить ряд социально-экономических проблем – надежное и бесперебойное энергоснабжение конкретного потребителя, развитие местной промышленности и создание дополнительных рабочих мест. Раздел 5.1 посвящен технологическим аспектам гидротермального окисления алюминия для целей энергетики. Результаты многочисленных исследований в области окисления алюминия без добавок показывают, что скорость и степень окисления дисперсного алюминия в воде сильно зависят от термодинамических параметров реакционной среды, фракции используемого порошка, а так же особенностей технологии проведения данной реакции. Важным результатом в этой области стала разработка способа полного окисления с высокими скоростями промышленных порошков алюминия с размером частиц более микрона в околокритической области (Берш А.В. и др. Патент РФ № 2223221. 2004 г). Развитие работ по сопряжению реактора гидротермального окисления (ГТО) алюминия с системами утилизации водорода и преобразования тепла потребовали расчетно-аналитических оценок различного рода параметров реакторов с целью увеличения их термодинамической эффективности, обеспечения непрерывной работы, выработки научно-технических основ технологий преобразования тепловой энергии и кондиционирования водорода. Интерес с точки зрения практического применения ГТО для энергетики представляет непрерывный режим работы. Очевидными условиями существования такого режима являются условия массового и энергетического балансов. Был рассмотрен идеальный непрерывный режим работы реактора ГТО. Из уравнения энергетического баланса найдены взаимосвязи между параметрами φ (отношение массы воды к массе алюминия в общей массе суспензии, подаваемой в реактор в единицу времени) температурой Т и давлением Р в реакторе. Вычислены необходимые массовые расходы и энергетические потоки сверху и снизу реактора, а так же оценены геометрические размеры реактора в зависимости от расходных характеристик и термодинамических параметров внутри реактора, определены границы существования влажного насыщенного пара внутри реактора. Под входной энергией Qвход понимается энергия, выделяющаяся в единицу времени (мощность) в реакторе в ходе реакции при массовом расходе алюминия m. Для удовлетворения энергетическому балансу выделяющееся в ходе реакции тепло должно расходоваться на нагрев суспензии до температуры, поддерживаемой постоянной в реакторе в ходе непрерывного режима, и испарения части воды. Тепло сверху реактора Qверх выводится с потоком пароводородной смеси, которая, будучи относительно высокопотенциальной, с достаточно хорошим коэффициентом преобразования может быть использована в традиционных теплоэнергетических установках. Чем больше будет выводиться водяного пара сверху, тем больше будет электрический КПД энергоустановки, использующей реактор ГТО алюминия в качестве генератора пароводородной смеси. Однако существует минимум воды в жидкой фазе, который необходимо поддерживать в реакторе для реализации возможности самостоятельного выдавливания пульпы из реактора снизу. Задав необходимое время пребывания алюминия в реакторе, можно оценить объем реактора в зависимости от выбранных термодинамических параметров и расходных характеристик суспензии. Для этого достаточно задать соотношение объемов пульпы и газовой фазы реактора, которые в непрерывном режиме остаются постоянными. В диссертации представлены некоторые результаты, основанные на балансовых расчетах: зависимость равновесной температуры в реакторе в ходе идеального непрерывного режима при поддержании в нем давления Р и φ, зависимость количества испаряемой воды от Р и φ и др. Границы существования влажного насыщенного пара внутри реактора изображены на рис. 5.1. Так же на графике отмечены изобары 10 и 20 МПа – минимальное и максимальное значения давлений реактора, реализуемых обычно на практике. Данная область давлений обеспечивает область высоких температур, и, соответственно, область с хорошими кинетическими характеристиками реакции. С точки зрения КПД оптимальным является работа реактора окисления алюминия во влажном насыщенном паре при малых φ, т.е. в левой части графика на рис. 5.1. Однако условие текучести пульпы, гарантирующее ее удаление из реактора, только лишь за счет давления в реакторе, обуславливает необходимость содержания воды в выводимой пульпе m’ не менее половины по отношению к массовому потоку гидроксида алюминия (в соответствии со стехиометрией реакции 2.22m). На рис. 5.1. показана кривая зависимости φ от Т, которая соответствует уравнению m’=1.11m. Следовательно, область параметров реактора, удовлетворяющей условию текучести пульпы находится справа от нее. На рис. 5.1. также изображена кривая характеризующая условие Qверх=0.5Qвход. Закрашенная область, таким образом, отображает область искомых оптимальных параметров φ, Т, Р, при которых более 50 % от суммарного количества тепла реакции переходят в высокопотенциальный с энергетической точки зрения поток пароводородной смеси, и одновременно выполняется условие текучести пульпы. Т Рис. 5.1. Границы существования влажного насыщенного пара внутри реактора в зависимости от его температуры: 1 – φmin; 2 – φmax; 3 – 10 МПа; 4 – 20 МПа; 5 – m'= =1,11 mAl; 6 – Qверх = 0,5 Qвход аким образом, в результате анализа данных, полученных путем моделирования реактора гидротер-мального окисления алюминия, и некоторых экспериментальных пара-метров, в частности, условия текучести пульпы, определена оптимальная с точки зрения термодинамической эффективности реакторов область параметров (φ, Т, Р). Данные результаты были использованы при проектировании опытных установок на основе реакторов гидротермального окис-ления алюминия. Раздел 5.2. Установки на основе реакторов ГТО алюминия производят компримированный водород, не требующий специальной осушки. Для этого достаточно обеспечить необходимую степень конденсации воды из пароводородного потока, выходящего из реактора. В данном разделе диссертации проведен анализ процессов конденсации пароводородной смеси и рассмотрены особенности технологии кондиционирования водорода применительно к разрабатываемым энерготехнологическим установкам. При конденсации пара и снижении парциального давления пара в смеси наблюдается повышение парциального давления водорода. На выходе из системы конденсации оно стремится к полному давлению смеси на входе в конденсатор (за вычетом гидравлического сопротивления парогазового тракта). Технологический процесс конденсации пароводородной смеси в общем случае состоит в снижении ее температуры до температуры насыщения водяного пара, конденсации пара из пароводородной смеси и переохлаждении конденсата до температур, обеспечивающих минимум парциального давления водяного пара в смеси. Технология конденсации пароводородной смеси применительно к параметрам разработанных энерготехнологических установок сводится к организации следующих друг за другом процессов конденсации пара из пароводородной смеси и разделения жидкой и газовой фаз. Основные технические решения по технологии конденсации пароводородной смеси состоят в следующем. Система конденсации содержит два контура конденсации с промежуточным выводом воды из первого теплообменника-конденсатора и завершающем выводе влаги из второго теплообменника. Пароводородная смесь из реактора поступает в первый теплообменник-конденсатор, где осуществляется основной съем тепла из парогазовой смеси. Тепловая мощность второго теплообменника-конденсатора (доохладителя) более чем на порядок ниже тепловой мощности первого теплообменника, поскольку основная тепловая нагрузка потока на выходе из конденсатора сосредоточена в сконденсированной воде, отводимой из контура конденсации. Основной теплообменник-конденсатор представляет собой вертикальный кожухотрубный агрегат, рабочий объем которого организован в зазоре между внутренней и внешней цилиндрическими стенками. Поверхность теплообменника, размещаемая в концентрической полости между боковыми цилиндрическими стенками, представляет собой вертикальный двузаходный змеевик, навитый на внутреннюю цилиндрическую стенку, поверхность которой омывается водой. Пароводородная смесь движется по змеевику сверху вниз внутри трубок, где осуществляется конденсация пара. Охлаждающая вода подводится снаружи змеевика (поперечное обтекание – снизу вверх). На выходе из теплообменника-конденсатора устанавливается циклон-отделитель, принцип действия которого основан на сепарации более тяжелых фракций потока (воды) за счет центробежных сил. Тангенциальная подача приводит к осаждению воды на поверхность цилиндра. Легкая газовая компонента потока выводится через центральную трубу вверх из циклона и направляется в теплообменник-конденсатор второй ступени (доохладитель). Жидкая компонента (вода) стекает по стенке цилиндра в конический участок и выводится из циклона во влагосборник. Доохладитель конструктивно выполнен аналогично теплообменнику-конденсатору первой ступени. Он дополнен узлом с насадкой, отбивающей влагу. Его установленная мощность несколько кВт. Реализация представленной технологии конденсации пароводородной смеси осуществлена в энерготехнологическом комплекс ЭТК-100 (раздел 5.4.2), в состав технологической схемы которого неотъемлемой частью включена система конденсации с целью получения водорода заданного качества. Раздел 5.3. Неудовлетворенный спрос на электрогенерирующие устройства малой мощности связан с отсутствием на рынке надежных, высокоресурсных автономных источников электроснабжения мощностью от 30 до 500 кВт с низким уровнем эмиссии, небольшими затратами на обслуживание и эксплуатацию. Высоконапорный поток пароводородной смеси открывает спектр возможностей использования реакторов ГТО алюминия в малой энергетике. В данном разделе описан потенциальный ряд основных путей преобразования тепловой энергии пароводородного рабочего тела из реактора ГТО алюминия в электроэнергию. В принципе, обеспечивается возможность организации производства энергии по теплосиловым циклам, с использованием топливных элементов (ТЭ) и их комбинациям. Принципиально возможна организация одноконтурных и многоконтурных технологических схем производства энергии. В одноконтурных схемах может быть рассмотрена газовая (пароводородная) турбина при условии глубокой очистки пароводородной смеси от твердых примесей. Наиболее сложный вопрос – защита высокооборотного высокотемпературного лопаточного аппарата турбины от коррозионно-эрозионного воздействия оксидов алюминия и воды в области влажного пара. В двухконтурных (многоконтурных) схемах эта проблема отсутствует и могут быть применены паровая турбина, газовая (воздушная или на другом рабочем теле турбина), термоэлектрические генераторы. Энерготехнологические установки на основе реакторов ГТО могут, или производить водород в качестве товарного продукта, или одновременно с его получением использовать для выработки полезной энергии. При этом возможны два принципиально различных способа преобразования химической энергии водорода в электроэнергию: напрямую в ТЭ и через “классическое” сжигание с последующим преобразованием тепловой энергии в механическую, а затем в электрическую. К классическим схемам преобразования энергии водорода можно отнести ДВС на водороде (пароводороде) и ГТУ с предвключенной КС. Если преобразование энтальпии пароводорода, выходящего из реакторов, в электрическую энергию осуществлять с помощью пароводородной турбины, то целесообразным представляется ее использование перед утилизирующими водород устройствами. Далее выбор принципиальных схем и цепочка энергетических устройств преобразования энтальпии пароводорода в полезные виды энергии зависит от типа сжигания водорода: в КС (или ДВС) или в ТЭ. Предполагаемый суммарный диапазон использования того или иного способа утилизации водорода из реакторов ГТО алюминия простирается от единиц до тысячи кВт. В случае, когда утилизация энтальпии пароводорода, выходящего из реактора, осуществляется в теплообменнике без потерь давления, на выходе из теплообменника получается компримированный водород. Тепло, снятое в теплообменнике, имеет температурный напор ~300 °С и может быть направлено во второй контур с паровой турбиной. Теплообменный аппарат для первого контура служит конденсатором, для второго – парогенератором. Рабочим телом второго контура является водяной пар умеренных параметров. При параметрах пара, характерных для блочных противодавленческих турбин (0,5-1,2 МВт; 1,3-2,8 МПа; 190-350 °С), КПД энергоблока находится на уровне 12-20 %. Основное преимущество данной схемы – ее простота. Она привлекательна именно для дальнейшего использования водорода, т.к. сохраняется его высокое давление, Одним из направлений повышения эффективности функционирования автономных систем энергоснабжения является переход к внедрению гибридных комплексов, включающих газогенераторную установку, тепловые двигатели реакторного контура, батарею ТЭ, паровую, газопаровую или газовую турбину с утилизацией тепла конденсации рабочего тела и тепла уходящих газов для нужд теплофикации. Такие, схемы представляют собой весь спектр технически осуществимых комбинаций схем традиционной и «водородной» энергетики. Одна из эффективных схем использует ТЭ. Перед ТЭ в схеме целесообразно использовать пароводородную турбину. После расширения пароводорода, прежде чем направить его в ТЭ, необходимо сконденсировать пар в конденсаторе, так как большинство современных батарей ТЭ работают на сухом водороде. Теплота конденсации пара в этом случае представляет низкопотенциальное тепло, величина и максимальная температура которого определяются давлением за пароводородной турбиной. В диссертации показано, что с учетом КПД ТЭ (40÷50%) электрический и полный КПД таких систем получается равным 25÷30% и 65÷70% соответственно. В диссертации описывается также возможное построение энергетических установок на базе ГТО с использованием газотурбинных технологий. В простейшем случае пароводородная смесь после расширения в пароводородной турбине поступает в камеру сгорания, куда с помощью компрессора подается воздух. Продукты сгорания расширяются в парогазовой турбине, после чего тепло отработавших газов утилизируется в теплообменнике-утилизаторе. По оценкам варианты с классическим сжиганием водорода по термодинамической эффективности не уступают схемам с ТЭ и намного выгоднее по эксплуатационным и капитальным затратам. Газовые микротурбины, могут быть выдвинуты в число главных претендентов на роль электрогенерирующего агрегата для организации локальных систем электроснабжения на базе реакторов ГТО алюминия. Некоторые из рассмотренных выше систем реализованы в опытных установках, описанных ниже в следующих разделах диссертации. Раздел 5.4 посвящен описанию энерготехнологических установок, разработанных на основе реакторов ГТО алюминия, в рамках работ по исследованию возможностей использования алюминия для целей энергетики. В разделе 5.4.1 описана опытная когенерационная энергоустановка КЭУ-10, ее состав, принцип и особенности работы, а также результаты экспериментальных исследований ее работы и анализа эффективности. КЭУ-10 – первая энергетическая установка с реактором гидротермального окисления алюминия – способна вырабатывать полезную электрическую и тепловую энергию для конечного потребителя, а также, при необходимости, компримированный водород. В качестве первичного топлива используется дисперсный алюминий, в качестве окислителя – вода. Номинальная производительность по водороду – 10 нм3/час. Ключевым звеном КЭУ-10 является реакторный блок РБ, в котором на основе разработанного способа окисления микронных порошков алюминия в среде влажного насыщенного пара организован непрерывный процесс получения водорода и тепловой энергии. В качестве энергетического устройства, утилизирующего водород, выбран электрохимический генератор на основе водородно-воздушных топливных элементов. Генерируемая ЭХГ электрическая энергия в постоянном токе подается в систему преобразования и распределения электрической энергии, которая позволяет также переключать питание собственных нужд КЭУ-10 от сети, на потребление от ЭХГ, обеспечивая тем самым ее автономную работу. Запуск и вывод установки на рабочий режим может осуществляться с помощью блока аккумуляторных батарей (АБ), что позволяет не запасать водород в режиме ожидания. Тепловая энергия, вырабатываемая реакторным блоком КЭУ-10, преобразуется в полезное тепло с помощью калориферного устройства. Для обеспечения надежности работы ЭХГ в составе КЭУ-10 используется водородная рампа, позволяющая сглаживать неравномерности электрического потребления, или запасать водород в баллонах. Управление экспериментальной установкой осуществляется оператором из пультовой комнаты с помощью автоматизированной системы контроля и управления (АСКУ). Главной задачей проведения испытаний была организация непрерывного режима работы реактора и КЭУ-10 в целом. Процедура проведения испытаний КЭУ-10 включала в себя предпусковые операции, рабочий период и приведение установки в исходное состояние. Подготовка подсистем и узлов КЭУ-10 к испытаниям включает: подвод напряжения, загрузку АСКУ и системы управления ЭХГ, продувку азотом трубопроводов и оборудования, в которых во время работы обращается водород, предварительный разогрев реактора, приготовление первой порции суспензии в смесителе и открытие ручных клапанов на входах в ЭХГ и в баллоны водородной рампы. После завершения предпусковых операций КЭУ-10 пусковой кнопкой на мониторе управления АСКУ переводится в рабочий режим, в котором все совершаемые в установке операции, за исключением пуска и останова ЭХГ, автоматизированы. Продолжительность непрерывной работы преднамеренно ограничивалась объемом запасаемого в бункере дозатора порошка алюминия, позволяющего РБ работать в номинальном режиме до пяти часов. Процесс останова и первичной консервации также запускается с монитора АСКУ. Н

Похожие:

	Образовательное учреждение высшего профессионального образования Целью изучение дисциплины является формирование знаний о видах природных источников энергии и способах преобразования их в электрическую...		Разработка и исследование технологических основ процесса фотонностимулированного... Разработка и исследование технологических основ процесса фотонностимулированного локального анодного окисления наноструктур на основе...
	“ Альтернативные источники энергии” Цель поиска альтернативных источников энергии — потребность получать её из энергии возобновляемых или практически неисчерпаемых природных...		Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии Доказать преимущества возобновляемых источников энергии их неисчерпаемость и экологическую чистоту
	Рабочая учебная программа дисциплины Особое внимание уделяется перспективным техническим средствам для обес­печения рациональных и эффективных схем товародвижения в торгово-технологических...		Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (тусур) Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных...
	Рабочая программа учебной дисциплины «Электромеханическое преобразование энергии» Целями освоения учебной дисциплины «Электромеханическое преобразование энергии» являются углубленное изучение теоретических и методологических...		Московский энергетический институт (технический университет) институт... «Стратегическое планирование» в освоении научных основ методологии, моделей, методов и практических инструментов стратегического...
	* “ Альтернативные источники энергии и их возможное применение в Черноморском регионе Охватывает возможные направления по применению виэ, включая и такие аспекты, как выявление этих источников и их защита, устанволение...		Малая гидроэнергетика возобновляемый источник энергии для республики татарстан Учитывая мировую тенденцию к снижению экологической нагрузки за счет использования возобновляемых источников энергии, малая гидроэнергетика...
	Перечень научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических... Изучение закономерностей дифференцировки стволовых и прогениторных клеток из различных источников в условиях in vitro и in vivo и...		Образовательное учреждение высшего профессионального образования... Цель курса «Архитектура вычислительных систем» состоит в изучении теоретических принципов, конструктивных и технологических основ...
	Список источников Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов (ЭП)		Высшего профессионального образования Научные основы разработки и эксплуатации нетрадиционных и возобновляемых источников энергии
	Проектирование эффективного менеджмента ...		Альтернативные источники энергии Солнечная энергетика Солнечная энергетика Солнечная энергетика используетнеисчерпаемый источник энергии и является экологически чистой, то есть не производящей вредных отходов....