Металлотермическое топливо
Изобретение относится к нетрадиционным источникам энергии, используемым с целью получения тепловой энергии для бытовых и промышленных нужд. Состав топлива содержит 50-60% окиси хрома, 20-25% порошкового алюминия, остальное - порошок глинозема (окись алюминия). Металлотермическое топливо горит без потребления атмосферного кислорода и без образования вредных выбросов в атмосферу, т.е. экологически безопасно. Отходы горения нетоксичны. При сжигании смеси такого состава температура окружающей среды повышается до 1200°С за 50 сек, что вполне приемлемо для топок печей. Предлагаемое топливо в 5-7 раз дешевле углеводородного эквивалента. 2 табл.
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.
Cr2O3+Al→Al2O3+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% Cr2O3 + 10% Al | 1050 | 40 |
| 2 | 80% Cr2O3 + 20% Al | 1960 | 25 |
| 3 | 70% Cr2O3 + 30% Al | 2400 | 17 |
| 4 | 60% Cr2O3 + 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% Сr2O3 + 10% Al2O3 + 20% Al | 1840 | 30 |
| 2 | 60% Сr2O3 + 20% Al2O3 + 20% Al | 1610 | 40 |
| 3 | 50% Сr2O3 + 30% Al2O3 + 20% Al | 1260 | 50 |
| 4 | 40% Сr2O3 + 40% Al2O3 + 20% Al | 1180 | 60 |
| 5 | 30% Сr2O3 + 50% Al2O3 + 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.
Состав металлотермического топлива, содержащий порошок алюминия, окись алюминия, отличающийся тем, что содержит окись хрома при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Окись хрома | 50-60 |
| Порошок алюминия | 20-25 |
| Окись алюминия | Остальное |
