Способ питания силовой энергетической установки

 

Использование: в газотурбинных установках, двигателях внутреннего сгорания и других силовых энергетических устройствах. Сущность изобретения: в качестве топлива энергоустановки используют газообразное и жидкое углеводородное топлива. При этом каталитическую конверсию газообразного углеводородного топлива проводят в смеси с воздухом в автотермическом режиме в адиабатическом реакторе. Каталитическую конверсию дополнительного жидкого углеводородного топлива осуществляют за счет тепла тенплонапряженных стенок камеры сгорания. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам организации подачи топлива в камеру сгорания энергетической установки и предназначено для повышения эффективности преобразования топлива, улучшения экологии выбросов.

Известен способ подачи топлива в камеру сгорания теплотехнической установки [1] состоящий в том, что топливо смешивается с частью отходящих газов и эта смесь подается на каталитическую конверсию.

Известен способ питания силовой установки 2, который включает смешение углеводородного топлива с отработавшими газами, нагрев полученной смеси путем ее сжатия компрессором с использованием избыточной энергии на валу установки, каталитическую конверсию в реакторе и подачу продуктов конверсии в камеру сгорания. Этот способ принят за прототип.

К недостатку прототипа можно отнести сложность регулирования требуемого соотношения СН/(Н₂О, СО₂₎ при смешении топлива с отработанными газами. Необходимость такого регулирования обусловлена тем, что состав продуктов сгорания сильно зависит от режима работы двигателя, качества топлива и т.д. Следовательно, если не принять специальных методов анализа концентрации СО₂ и Н₂О в продуктах и поддержания требуемого их соотношения с топливом, в каталитический реактор может поступать смесь с очень низким содержанием СО₂ и Н₂О, что может приводить к порче катализатора. Недостатком прототипа является также использование избыточной энергии на валу для сжатия смеси топлива с продуктами сгорания перед их конверсией в каталитическом реакторе. Очевидно, что все процессы горения топлива в силовых газотурбинных энергетических установках осуществляются при большом избытке окислителя. Следовательно, в продуктах сгорания содержится смесь О₂, СО, СО₂, Н₂О и несгоревшего топлива. Каталитическая конверсия смеси топлива с выхлопными газами, в которых содержится большое количество окислителя, является экзотермическим процессом, при проведении которого не требуется подводить тепло. Наоборот, чаще всего необходимо отводить тепло во избежание перегрева катализатора. Следовательно, производить нагрев смеси перед конверсией путем ее сжатия с использованием избыточной энергии на валу вовсе не обязательно. Кроме того, весьма не эффективно переводить механическую энергию в тепло, для того чтобы впоследствии опять переводить ее в механическую энергию.

Если предположить, что в продуктах горения преобладает СО₂ и Н₂О и практически отсутствуют окислители, то осуществить реакции типа СН₄ + СО₂ ->> 2СО + 2Н₂ СН₄ + Н₂О ->> СО + 3Н₂ до нужных степеней превращения в автотермическом режиме, даже при нагреве исходной смеси в процессе сжатия, не представляется возможным вследствие больших тепловых эффектов эндотермических реакций. Тепловой эффект этих реакций ≈206 кДж/моль значительно превосходит количество тепла, запасенного исходной газообразной смесью, в десятки раз.

Изобретение решает задачи повышения эффективности, экономичности и улучшения экологических характеристик выбросов. Это возможно при химической регенерации тепла с теплонапряженных поверхностей, замене реакции конверсии газообразного углеводородного топлива с отработавшими газами реакцией конверсии этого топлива с воздухом.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Основное газообразное углеводородное топливо природный газ и окислитель воздух подают в энергетическую установку при помощи компрессоров 1 и 2 (см. чертеж). Часть воздуха после компрессора 1 смешивают с газообразным топливом, и эта смесь в отношении < 0,3 поступает в каталитический реактор 3, где осуществляется реакция с образованием СО и Н₂. Конвертированные продукты после реактора 3 поступают в смеситель 4 и далее в камеру 5 сгорания. Другая часть воздуха после компрессора 1 подается в смеситель 4 перед камерой сгорания. Жидкое дополнительное топливо насосов 6 подают в каталитический реактор-рубашку 7, находящуюся на теплонапряженной поверхности камеры 5 сгорания, где происходит их превращение. Продукты конверсии жидкого углеводородного топлива, в основном СО и Н₂, поступают также в смеситель 4. Продукты сгорания из камеры 5 сгорания поступают на турбину 8, где и совершается работа расширения.

Смешение газообразного углеводородного топлива с воздухом при их отношении < 0,3 и осуществление конверсии этой смеси в адиабатическом каталитическом реакторе в диффузионном режиме позволяют осуществить реакцию типа СН₄ + О₂ ->> СО + Н₂ + СО₂.

Низкие температуры каталитической конверсии (ниже 1000^оС) не приводят к образованию оксидов азота.

Применение к качестве дополнительного топлива жидких углеводородов типа С₆Н₁₂, С₇Н₁₄, СН₃ОН и т.д. способных на катализаторах при подводе тепла разлагаться преимущественно на СО и Н₂, дает возможность использовать тепло теплонапряженных поверхностей конструкции камеры сгорания для конверсии топлива. Причем низкие температуры, при которых достигаются значительные степени превращения, составляют 200-300^оС. Следовательно, можно регенерировать тепло при проведении термохимических реакций разложения при такой низкой температуре.

Доля жидкого дополнительно топлива в общем количестве топлива зависит от реальных условий и конструкции теплоэнергетической установки. Отличительные признаки предлагаемого способа. В качестве топлива энергоустановки используют газообразное и жидкое углеводородное топливо. Каталитическую конверсию основного газообразного углеводородного топлива проводят в смеси с воздухом при их отношении < 0,3 в автотермическом режиме в адиабатическом реакторе. Каталитическую конверсию дополнительного жидкого углеводородного топлива осуществляют за счет тепла теплонапряженных стенок камеры сгорания.

Сущность способа иллюстрируют следующим примером.

Основное газообразное углеводородное топливо метан и окислитель воздух подают в энергетическую установку при помощи компрессоров 1 и 2. Часть воздуха после компрессора 1 смешивают с метаном и эта смесь в отношении 0,25-0,3 поступает в каталитический реактор 3, где на каталитической теплонапряженной поверхности осуществляется реакция с образованием СО и Н₂. В качестве катализатора может быть использован NiCr. Конвертированные продукты после реактора 3 поступают в смеситель 4 и далее в камеру 5 сгорания. Другая часть воздуха после компрессора 1 подается в смеситель 4 перед камерой сгорания.

Жидкое дополнительное топливо метанол насосом 6 подают в каталитический реактор-рубашку 7, находящуюся на теплонапряженной поверхности камеры 5 сгорания, где происходит его превращение до СО и Н₂. Продукты конверсии метанола поступают также в смеситель 4. Продукты сгорания из камеры 5 поступают на турбину 8, где и совершается работа расширения.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПИТАНИЯ СИЛОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ путем каталитической конверсии топлива и подачи продуктов конверсии в камеру сгорания, отличающийся тем, что конверсируют одновременно основное газообразное и дополнительное жидкое топливо, а продукты конверсии подают одновременно в эту же камеру сгорания.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что газообразное топливо перед подачей в камеру сгорания смешивают с воздухом, а конверсию ведут в адиабатическом реакторе.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для конверсии дополнительного топлива используют тепло теплонапряженных поверхностей камеры сгорания.

РИСУНКИ

Рисунок 1