Способ хемотермической передачи тепловой энергии

Изобретение относится к способам передачи энергии, преимущественно от ядерных энергетических установок и при участии хемотермических систем, например, конверсии углеродсодержащего вещества. В предложенном способе хемотермической передачи тепловой энергии осуществляют эндотермическую реакцию паровой конверсии углеродсодержащего вещества, неконденсируемые продукты которой охлаждают и передают в реактор экзотермического синтеза углеродсодержащего вещества с образованием водяного пара, и возвращают углеродсодержащее вещество на эндотермическую реакцию, при этом образующийся в реакции экзотермического синтеза водяной пар используют в эндотермической реакции. Эндотермическую реакцию паровой конверсии углеродсодержащего вещества ведут при нагреве ядерным реактором при температуре выше 400 K, а экзотермическую реакцию синтеза углеродсодержащего вещества ведут при отводе тепла к рабочему телу энергоустановки. Образующийся в реакции экзотермического синтеза водяной пар конденсируют путем нагрева продуктов эндотермической реакции, а затем направляют на испарение и смешение с углеродсодержащим веществом. В качестве углеродсодержащего вещества применяют метан, углеводороды, спирты или их смеси. Снижение потерь выброса избыточного тепла в атмосферу при хемотермическом способе передачи тепловой энергии является техническим результатом изобретения. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится преимущественно к способам передачи тепловой энергии преимущественно от ядерных энергетических установок к системам энергообеспечения на их основе и предназначено для обеспечения тепловой и электрической энергией потребителей, удаленных от централизованных энергоисточников.

Известны способы передачи тепловой энергии преимущественно от ядерных энергетических установок к системам энергообеспечения на их основе за счет проведения обратимых термохимических реакций (так называемые хемотермические системы) с целью повышения охвата энергообеспечения от ядерных энергетических установок.

Известен способ, согласно которому ведут взаимодействие компонентов сырья в экзотермическом процессе, в результате которого образуется водород и оксид углерода, которые подают в реактор-метанатор, в котором посредством каталитической реакции образуют рабочее тело - метанопаровую смесь, при расширении которой в двигателе производят механическую работу, а отработанное рабочее тело направляют на регенерацию и последующую подачу в первый реактор, исходное сырье в первом реакторе подвергают автотермической или термической газификации с отделением водорода и оксида углерода, подаваемых в реактор-метанатор от сопутствующих продуктов, а каталитическую реакцию между водородом и оксидом углерода осуществляют при температуре от 600 K до 1400 K и давлении 0,6-20,0 МПа (патент РФ №2323351, дата публикации 2005.12.23). Недостатком способа является необходимость использования углеродсодержащего сырья и кислорода для получения водорода и оксида углерода.

В частности, предложен также способ передачи тепловой энергии, в котором поступающий от теплоисточника конвертированный газ смешивают с водородом и направляют в метанатор на синтез (гидрирование оксидов углерода). Процесс идет с выделением тепла, используемого на производство электроэнергии и теплоснабжение. Продукты синтеза отделяют от воды и направляют в установку короткоцикловой адсорбции газов, из которой водород возвращают в метанатор, а метан к теплоисточнику или в систему газоснабжения (патент РФ №2067076, дата публикации 1996.09.27 - прототип). Недостатком предложения является необходимость подпитки системы углеродсодержащим сырьем.

Задача изобретения - создать способ хемотермической передачи тепловой энергии, в котором увеличен коэффициент использования углеродсодержащего вещества, снижен его расход при транспортировке и уменьшены затраты на его прокачку и потери, связанные с выбросом избыточного тепла в атмосферу, улучшены экономические показатели способа хемотермической передачи тепловой энергии.

Поставленная задача решается тем, что: в способе хемотермической передачи тепловой энергии, в котором с помощью тепловой энергии проводят эндотермическую реакцию паровой конверсии углеродсодержащего вещества, неконденсируемые продукты которой охлаждают и передают в реактор экзотермического синтеза углеродсодержащего вещества с образованием водяного пара, возвращают углеродсодержащее вещество на эндотермическую реакцию, отличающийся тем, что образующийся в реакции экзотермического синтеза водяной пар используют в эндотермической реакции.

Кроме того:

- образующийся в реакции экзотермического синтеза водяной пар конденсируют одновременно с охлаждением углеродсодержащего вещества;

- образующийся в реакции экзотермического синтеза водяной пар конденсируют путем нагрева продуктов эндотермической реакции, а затем направляют на испарение и смешение с углеродсодержащим веществом;

- в качестве углеродсодержащего вещества применяют метан, углеводороды, спирты или их смеси;

- эндотермическую реакцию паровой конверсии углеродсодержащего вещества ведут путем конвективного нагрева через теплообменные поверхности;

- в процессе конденсации поддерживают давление выше 1 МПа;

- эндотермическую реакцию паровой конверсии углеродсодержащего вещества ведут при нагреве ядерным реактором при температуре выше 400 K;

- экзотермическую реакцию синтеза углеродсодержащего вещества ведут при отводе тепла к рабочему телу энергоустановки;

- экзотермическую реакцию синтеза углеродсодержащего вещества ведут, как минимум, в две ступени.

Примером реализации изобретения служит способ хемотермической передачи тепловой энергии, описанный ниже.

В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве углеродсодержащего вещества используют метан или природный газ, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам метанирования.

Способ осуществляется следующим образом.

Проводят нагрев и эндотермическую реакцию паровой конверсии метана 1 в химическом реакторе конверсии метана 3 путем нагрева теплоносителем ядерного реактора 2 при температуре выше 900 K в присутствии катализатора и водяного пара при давлении 5-7 МПа, соответствующем давлению теплоносителя высокотемпературного ядерного реактора с целью уменьшения напряжений в теплообменных элементах. Образующийся в реакции синтез-газ и водяной пар охлаждают в конденсаторе 10, конденсируя водяной пар, воду выводят из потока синтез-газа, направляя ее в трубопровод воды 4. Поток синтез-газа в сжатом виде направляют по трубопроводу 5 в реактор экзотермического синтеза метана 6, который выполнен, по крайней мере, двухступенчатым. Реактор экзотермического синтеза метана 6 может располагаться на значительном удалении от ядерного высокотемпературного реактора 2. Синтез метана в реакторе 6 проводят в присутствии катализатора, преимущественно на основе никеля. Может применяться, например, промышленный катализатор типа АНКМ (ТУ 2178-036-47317879-97 с изм.1). Экзотермическую реакцию синтеза метана ведут, как минимум, в две ступени при отводе тепла к рабочему телу (например, водяному пару) 7 энергоустановки 8. Многоступенчатость процесса позволяет не допустить перегрев катализатора и повысить глубину синтеза метана. В качестве энергоустановки 8 может быть использована теплофикационная турбина с отбором тепла на отопительные или технологические нужды. Вывод воды из потоков метана и синтез-газа ведут путем конденсации или сорбции в конденсаторах (адсорберах) 9 и 10 с последующим регенеративным нагревом продуктами синтеза или конверсии метана. В случае сорбции может применяться технология короткоцикловой нагревной или безнагревной адсорбции на угольных или цеолитовых сорбентах. Предпочтительна нагревная адсорбция, позволяющая получать более высокое давление продукта (вода с растворенными в ней углеродсодержащими газами). Поскольку при десорбции вода выходит из сорбента в виде пара, производят (как и в случае вывода воды конденсацией) конденсацию пара, например, за счет нагрева входного потока синтез-газа, который подают на синтез метана.

Для повышения эффективности использования метана в предложенном способе рассматривается только вариант с возвратом воды, полученной путем конденсации или десорбции, в процесс конверсии метана. Данный способ позволяет снизить потери метана, выводимого из хемотермической системы с газообразными продуктами реакций синтеза и конверсии метана, растворенными в воде, а также использовать (вернуть в процесс) энтальпию нагретой воды.

Раздача синтез-газа по трубопроводам хорошо освоена в химической промышленности и позволяет увеличить мощность энергоисточника, например высокотемпературного ядерного реактора, при использовании его в системах хемотермической региональной теплофикации отбором тепла на отопительные или технологические нужды, что дополнительно улучшит экономичность данной технологии.

Помимо метана в качестве углеродсодержащего вещества могут применяться также углеводороды, спирты или их смеси. В частности, хорошо освоены процессы конверсии и синтеза метанола, бензола-циклогексана и других углеродсодержащих веществ.

Таким образом, указанный способ позволит поддерживать высокий коэффициент использования углеродсодержащего вещества, снизить его расход при транспортировке и уменьшить затраты на его прокачку и потери, связанные с выбросом избыточного тепла в атмосферу, улучшить экономические показатели способа хемотермической передачи тепловой энергии - задача изобретения.

1. Способ хемотермической передачи тепловой энергии, в котором с помощью тепловой энергии проводят эндотермическую реакцию паровой конверсии углеродсодержащего вещества, неконденсируемые продукты которой охлаждают и передают в реактор экзотермического синтеза углеродсодержащего вещества с образованием водяного пара, возвращают углеродсодержащее вещество на эндотермическую реакцию, отличающийся тем, что образующийся в реакции экзотермического синтеза водяной пар используют в эндотермической реакции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что образующийся в реакции экзотермического синтеза водяной пар конденсируют одновременно с охлаждением углеродсодержащего вещества.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что образующийся в реакции экзотермического синтеза водяной пар конденсируют путем нагрева продуктов эндотермической реакции, а затем направляют на испарение и смешение с углеродсодержащим веществом.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего вещества применяют метан, углеводороды, спирты или их смеси.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что эндотермическую реакцию паровой конверсии углеродсодержащего вещества ведут путем конвективного нагрева через теплообменные поверхности;

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в процессе конденсации поддерживают давление выше 1 МПа.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что эндотермическую реакцию паровой конверсии углеродсодержащего вещества ведут при нагреве ядерным реактором при температуре выше 400 K.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что экзотермическую реакцию синтеза углеродсодержащего вещества ведут при отводе тепла к рабочему телу энергоустановки.

9. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что экзотермическую реакцию синтеза углеродсодержащего вещества ведут как минимум в две ступени.