Способ получения энергии из минеральных веществ природного происхождения
Изобретение относится к способам получения энергии из веществ. Способ получения энергии из минеральных веществ природного происхождения заключается в том, что в смеси органическое топливо - минеральное вещество минеральное вещество дисперсностью менее 50 мкм вводится в смесь равномерно по объему топлива в количестве, позволяющем обеспечить ионизацию минерального вещества и процесс горения органического топлива, при этом оптимальные концентрации минеральных веществ составляют 0,09-0,03% по массе органического топлива. Ионизация минерального вещества производится тепловым потоком от сгорания органического топлива непосредственного без контакта с факелом органического топлива. В качестве минеральных веществ используют вещества, у которых величина объемной удельной энергии атомизации не ниже 60 кДж/см3. Изобретение позволяет снизить расход топлив и затраты на их транспортировку. 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к способам получения тепловой энергии, в частности к способам горения веществ.
Известны способы получения тепловой энергии из органических веществ в виде углеводородов посредством организации процесса горения - быстрого окисления топлива в высокотемпературной области [1]. При этом способе процесс горения как цепная разветвляющаяся (самоускоряющаяся) реакция возникает после появления в горючей смеси единичных активных центров - молекул веществ со свободными валентностями - и начинает внешне проявляться только по накоплении достаточной концентрации этих центров. После этого следует возникновение фронта воспламенения или объемный взрыв [2]. Активные центры в данном случае создаются введением в готовую или образующуюся смесь зажженного факела, раскаленного тела или электрической искры. При этом теплотворная способность составляет в среднем: у мазута 40 кДж/г, углей - от 7 до 27 кДж/г, торфа - от 7 до 10 кДж/г, горючих сланцев - 10,5 кДж/г, кокса - от 26 до 29,5 кДж/г, сухих природных газов - от 23 до 41 МДж/м3, искусственных (генераторные газы из кусковых углей; водяные газы из кокса) газов - от 5,5 до 26,5 МДж/м3, бензина, керосина, дизельного топлива - 3,75 МДж/м3.
Другим возможным источником тепловой энергии является вода. Процесс получения энергии из воды может происходить, например, в кавитационных энергоустановках [3]. Разрушение молекул воды в них происходит в процессе схлопывания пузырьков водяного пара. В результате энерговыделение при использовании воды в качестве источника энергии составляет в действующих установках 10-20 кДж/г.
Следующим шагом в получении энергии из различных веществ является использование горных пород в качестве интенсификаторов массообменных процессов при горении [4]. В процессе горения топлива частицы горных пород выступают в качестве активных центров, стимулируя процесс горения основного топлива и увеличивая полноту его сгорания.
Таким образом, из приведенных выше аналогов видно, что по таким основным характеристикам, как теплотворная способность или энерговыделение, используемые вещества даже с введением в них минеральных добавок не выделяют энергии более чем 80-90 кДж/г.
В качестве прототипа выбран способ интенсификации массообменных процессов [4]. Горение в этом изобретении рассматривается как массообменный процесс при протекании химических реакций горения.
В данном процессе мелкодисперсную кварцеобразующую и кварцесодержащую породу (крупность частиц 95% по массе - не более 15 мкм, 5% по массе - не более 30 мкм) вводят в топливо в сочетании: от 0,1 до 5% по массе горная порода; остальное - топливо. Средняя величина энергетической стабильности вводимых горных пород - 82 кДж/см3. Результатом является увеличение полноты сгорания топлив, в частности мазута. Это происходит за счет увеличения количества активных центров, коими являются мелкодисперсные частицы горных пород.
Как и предыдущие аналоги, прототип имеет те же недостатки - теплотворная способность вещества остается на низком уровне.
Однако в энергетической сфере остро стоит задача снижения расхода традиционных топлив и затрат на его транспортировку потребителям, в частности:
- в системах отопления бытовых и производственных помещений;
- в транспортных двигателях внутреннего сгорания;
- в других топочных устройствах.
Прототип, сохраняя традиционные виды топлива в качестве основных, не может кардинально решить поставленную задачу.
Поставленная задача решается за счет способа получения энергии из минеральных веществ природного происхождения и заключается в том, что в смеси органическое топливо - минеральное вещество минеральное вещество дисперсностью менее 50 мкм вводится в смесь равномерно по объему топлива в количестве, позволяющем обеспечить ионизацию минерального вещества и процесс горения органического топлива, при этом оптимальные концентрации минеральных веществ составляют 0,09-0,03% по массе органического топлива. Ионизация минерального вещества производится тепловым потоком от сгорания органического топлива непосредственного без контакта с факелом органического топлива. В качестве минеральных веществ используют вещества, у которых величина объемной удельной энергии атомизации не ниже 60 кДж/см3.
В основу изобретения поставлена задача по осуществлению процессов энерговыделения из минеральных материалов с использованием традиционного топлива в качестве запального вещества, инициирующего процесс выделения энергии из минералов. При этом величина энергии, выделяемой в данном процессе, ограничивается верхним пределом, равным величине удельной энергии сцепления атомных остовов и связующих электронов - Wi [5-6]. При этом данная величина определяется по отношению к массе или объему конкретного вещества. Для нерудных минералов эта величина в среднем находится в пределах от 500 кДж/т (для ангидрита) до 780 кДж/г (для серпентинита и каолинита).
Технический результат - организация процесса энерговыделения из минеральных веществ природного происхождения, обладающих высокой энергоплотностью, при совместном применении минеральных веществ и органических топлив, дающих значительную прибавку теплотворной способности смеси за счет дополнительно получаемой энергии и повышения полноты сгорания традиционного топлива.
Технический результат обеспечивается тем, что в способе получения энергии из минеральных веществ природного происхождения процесс энерговыделения из минеральных веществ осуществляют в двух вариантах:
- инициирование энерговыделения из минеральных веществ в смеси с органическим топливом;
- инициирование энерговыделения из минеральных веществ тепловым потоком от сгорания органического топлива, воздействующим на минеральное вещество через некоторую преграду, исключающую непосредственный контакт минерального вещества и пламени от горения органического топлива.
В первом варианте мелкодисперсные вещества с крупностью частиц менее 50 мкм вводят в объем органического топлива с равномерным распределением по объему, с процентным содержанием по массе, определяемым характеристиками минерального вещества и органического топлива. При этом для каждого сочетания веществ в смеси существует своя оптимальная концентрация. Превышение указанной концентрации минеральных веществ в топливе приводит к перенакоплению активных центров, роль которых кроме всего прочего исполняет минеральное вещество, необходимости траты дополнительной энергии на ионизацию лишнего минерального материала и снижению энерговыделения минерального материала. Энерговыделение из минерального вещества при этом составляет от 200 до 400 кДж/г.
Во втором случае теплоту, необходимую для ионизации минерального вещества, подводят при горении через некоторую преграду, например металлическую пластину. При этом минеральное вещество равномерно тонким слоем располагается на поверхности пластины, не контактируя с факелом горящего органического вещества непосредственно. Количество минерального вещества также имеет оптимальную величину, зависящую от характеристик горелки, органического топлива и самого минерального вещества.
В обоих случаях для обеспечения начала процесса энерговыделения из минеральных веществ к минеральному веществу необходимо подвести энергию, равную его объемной удельной энергии атомизации. После этого минеральное вещество ионизируется и в зависимости от состава окружающей частицу минерального вещества среды могут происходить различные химические реакции с минеральным веществом. В частности, при сжигании оксида кремния с органическим топливом в среде кислорода под большим давлением химических реакций с участием оксида кремния может не наблюдаться, так как атомы кислорода в оксиде могут оставаться на своем месте, не вступая ни в какие взаимодействия. После ионизации минерального вещества оно отдает в окружающую среду накопленную внутреннюю энергию.
При бесконтактном способе энерговыделения одна порция минерального вещества может использоваться длительное время за счет циклического процесса выделения внутренней энергии и нового поглощения энергии свободных фотонов атомами минерального вещества.
Подобные процессы энерговыделения из минеральных веществ реализуют на любых известных топочных устройствах или двигателях внутреннего сгорания.
Ниже приведены примеры конкретной реализации.
Пример 1. Сжигание смеси органического топлива и минеральных веществ по методу бомбовой калориметрии по ГОСТ 21261-91. Минеральное вещество имело дисперсность менее 50 мкм.
Смесь мазут M100 - криворожский кварцит. При оптимальной концентрации 0,05% энерговыделение из минерального вещества составило 23,4 кДж/г.
Смесь мазут М100 - серпентинит. При оптимальной концентрации 0,09% энерговыделение из минерального вещества составило 46,1 кДж/г.
Смесь вазелиновое масло - криворожский кварцит. При оптимальной концентрации 0,09% энерговыделение из минерального вещества составило 29,4 кДж/г.
Смесь вазелиновое масло - серпентинит. При оптимальной концентрации 0,08% энерговыделение из минерального вещества составило 46,4 кДж/г.
Смесь мазут M100 - кварц. При оптимальной концентрации 0,09% энерговыделение из минерального вещества составило 49,5 кДж/г.
Пример 2. Бесконтактный процесс горения в калориметре. Испытания проводились в паре бытовой газ - серпентинит. Дисперсность минерального вещества менее 40 мкм. При навеске 0,3 г энерговыделение составило 570 кДж/г. При навеске 0,6 г энерговыделение составило 440 кДж/г. Общее тепловыделение от смеси получилось на 35% больше, чем тепловыделение от чистого органического топлива.
Пример 3. Сжигание смеси уголь 2ГЖ00СШ-050 - серпентинит в угольном котле. Дисперсность минерального вещества менее 40 мкм. Концентрация минерального вещества 0,05% по массе. Энерговыделение из минерального вещества составило 173 кДж/г. Расход смеси сократился на 31% по сравнению с расходом чистого угля при одинаковых параметрах системы.
Пример 4. Сжигание смеси мазут M100 - серпентинит в мазутной котельной. Дисперсность минерального вещества менее 40 мкм. Концентрация минерального вещества 0,05% по массе топлива. Энерговыделение из минерального вещества составило 662,4 кДж/г. Расход смеси сократился в 1,8 раза по сравнению с расходом чистого мазута при одинаковых параметрах системы.
Пример 5. Сжигание смеси бензин 92 - серпентинит в двигателе внутреннего сгорания. Дисперсность минерального вещества менее 40 мкм. Концентрация минерального вещества 0,04% по массе топлива. Энерговыделение из минерального вещества составило 365 кДж/г. Расход смеси сократился на 30% по сравнению с расходом чистого бензина при одинаковых режимах.
При этом вследствие особенностей конструкций топочных систем и камер сгорания и организации процесса горения в них величина энерговыделения во всех случаях разная и не превышает предельных значений W=780 кДж/г (для серпентинита).
Приведенные примеры показывают, что заявленный способ позволяет получать значительную дополнительную величину энерговыделения от минеральных веществ при использовании органического топлива как инициатора процесса энерговыделения и обеспечивает существенное сокращение расхода органического топлива при использовании смеси органическое топливо - минеральное вещество с сохранением параметров систем.
Источники информации
1. Г.Ф. Кнорре, К.М. Арефьев, А.Г. Блох, Е.А. Нахапетян, И.И. Палеев, В.Б. Штейнберг. Теория топочных процессов. - М.-Л.: Энергия, 1966, с. 5.
2. Там же, с. 6-7.
3. Патент РФ №2054604, 1996. Бюл.5. Способ получения энергии. /А.Ф. Кладов.
4. Патент РФ №2129461, 1999. Способ геоэнергетической интенсификации массообменных процессов и состав для геоэнергетической интенсификации массообменных процессов.
5. В.В. Зуев. Закономерная связь физических свойств минералов и других твердых кристаллических тел с их энергией сцепления атомных остовов и связующих электронов. Обогащение руд, №5, 2002, с. 42-47.
6. В.В. Зуев и др. Закономерная связь величин, характеризующих физические свойства кристаллических твердых тел, с величинами удельной энергии сцепления атомных остовов и связующих электронов. Научное открытие. Диплом №204.
Формула изобретения
1. Способ получения энергии из минеральных веществ природного происхождения, отличающийся тем, что в смеси органическое топливо -минеральное вещество минеральное вещество дисперсностью менее 50 мкм вводится в смесь равномерно по объему топлива в количестве, позволяющем обеспечить ионизацию минерального вещества и процесс горения органического топлива, при этом оптимальные концентрации минеральных веществ составляют 0,09-0,03% по массе органического топлива.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ионизация минерального вещества производится тепловым потоком от сгорания органического топлива непосредственного без контакта с факелом органического топлива.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве минеральных веществ используют вещества, у которых величина объемной удельной энергии атомизации не ниже 60 кДж/см3.
