РУСENG
Анатолий
Рахмаилов

Квантохимическая гидроконверсия топлива и энергии

«Все с детства знают, что и это, и это невозможно. Но находится один «невежда», который этого не знает. Он-то и делает открытие».

Альберт Эйнштейн

Химическая энергия занимает особое место в современном обществе т.к. химические реакции — основной источник энергии высокого качества. Однако в процессе конверсии этой энергии, например, в электрическую (химическая — тепловая — кинетическая — механическая — электрическая) более половины химической энергии теряется. Основной «вклад» в эти потери вносит тепловая энергия. Единственный реальный путь кардинального сокращения потерь — преимущественно прямое преобразование химической энергии в кинетическую энергию.

Эта задача может быть успешно решена с помощью физико-химических процессов, при которых скорость конверсии энергии превышает скорость установления равновесного распределения выделяющейся при этом энергии.

Такое соотношение скоростей наблюдается при взрывах и детонации топливо-воздушных смесей, далее ТВС. В 1940 году академик Зельдович Я.Б. в своей работе «Об энергетическом использовании детонационного сгорания» первым показал положительное влияние скорости конверсии энергии на эффективность тепловых машин. Специалистам известно, что при околозвуковой скорости конверсии энергии до 30 процентов химической энергии топлива можно преобразовать в кинетическую энергию продуктов конверсии энергии и только при сверхзвуковой скорости — более 30 процентов. При этом скорость потока продуктов конверсии энергии может достигать более 50 процентов скорости распространения конверсии энергии. Осталось сделать самую «малость» — корректно раскрыть механизм физико-химических процессов, происходящих при взрывах и детонации ТВС и реализовать этот механизм при создании перспективных энергоустановок.

Господствующее в настоящее время в науке «тепловое» представление о процессах, происходящих при взрывах и детонации (реакции окисления топлива инициируются сильной ударной волной), позволяет только скопировать созданное природой и не способствует реализации потенциальных резервов указанных процессов в полном объёме.

По-нашему мнению, инициирование конверсии топлива и энергии принадлежит кванто-химическим процессам, т.е. процессам реально нетермического происхождения.

Три этапа проведения многолетних исследований конверсии топлива и энергии.

  • Первый этап — поиск путей повышения скорости конверсии химической энергии (КХЭ) ультрабедных смесей (коэффициент избытка воздуха 4...5 единиц) с содержанием в ТВС: метана — менее 5 %, кислорода — менее 12%, и с различными комбинациями СО2 (более 30%), паров H2O (более 40%) и N2 (0...85%). Испытания и оптимизация технологии проводились на специализированном стенде. Известные технологические приёмы повышения скорости КХЭ (повышение начальной температуры и давления ТВС, использование известных принципиально новых источников запуска химических реакций) не применялись. Исследования завершены. Результаты экспериментов — положительные. Технология запатентована. Патент США № 7,086,854.
  • Второй этап — разработанная технология высокоскоростной КХЭ ультрабедных ТВС адаптировалась для конверсии химической энергии, содержащейся в бедных ТВС (коэффициент избытка воздуха 0,99...1,99 ед.). Исследования проводились на специализированном стенде и на работающем газотурбинном двигателе мощностью 60 кВт. Исследования завершены. Результаты положительные.
  • Третий этап — исследование потенциальных возможностей разработанной технологии для повышения эффективности конверсии химической энергии топлива в кинетическую энергию ПК. Исследования проводились на специализированном стенде и на работающем газотурбинном двигателе мощностью 1500 кВт. В квантовом реакторе, исследуемом на стенде, до 15% химической энергии топлива преобразовано в кинетическую энергию ПК. В квантовом реакторе, исследуемом на работающем газотурбинном двигателе, более 30% химической энергии топлива преобразовано в кинетическую энергию ПК. Исследования продолжаются. Промежуточные результаты исследований — инновационная технология. Технология патентуется.

Были исследованы десятки различных схем организации конверсии химической энергии ультрабедных (прежде всего) ТВС. Анализ результатов большого количества экспериментов приобрёл особо значение. И вот почему: в сумме полученных знаний появилось новое качество — создание высокоэффективной и экологически чистой энергосиловой технологии, базирующейся на новом (для процесса конверсии) физическом принципе. Успешно реализована на практике нетермическая активация физических и химических процессов, происходящих в ТВС при давлениях выше атмосферного и без применения любых посторонних устройств (например, лазеров) для активации реагентов. Именно с помощью колебательно-возбужденных молекул нам удалось получить суперактивные реагенты, время жизни которых измеряется десятками микросекунд. Суперактивные реагенты легко вступают в химические реакции, при этом скорости химических реакций возрастают на много порядков.

Квантохимический реактор, в котором впервые была достигнута высокоскоростная и устойчивая гидроконверсия ультрабедной МВС, показан на рис.1.

Рис.1 Экспериментальный квантохимический реактор «Кванттор».

В указанном реакторе «Кванттор», при давлениях выше атмосферного (1...10 атм), изучались процессы управляемого энерго-массообмена между «холодной» (15...45 °C) МВС (содержание метана 2,5...10 % абс.) и «горячими» (350...1200 °C) ПК.

В реакторе «Кванттор» есть возможность выполнять контролируемую гидроконверсию супербедных ТВС (нижнепредельная величина теплоты гидроконверсии ТВС равна 5 Ккал\моль или 275 Ккал\м3).

В качестве модели процесса, определяющей критические условия квантохимической конверсии, могут выступать следующие реакции:

N2* ==> CO2*==> H2O*
H2O* + H2O* == > H2O + H + OH

CH4 + H2O*<=> CO + 3H2
H + O2 < = > ОН + O
ОH + H2 < = > H2O + Н
O + H2 <=> OH + H
Н +стенка < = > гибель H
СО + О < = > СО2
Н + О2 + М < => НО2 + M
НO2 + H2 <=> Н2O2 + H

Авторами экспериментально установлено, что химические реакции с участием конверсированного топлива (метана):

  • протекают достаточно быстро даже при температуре конверсии 350 °C (Рис.2);
  • для полного завершения химических реакций, происходящих в реакторе (оптимальная температура конверсии 1150...1200 °C), достаточно 3...4 мс;
  • энергия активации метана 5...6 ккал/моль;
  • слабая зависимость процесса конверсии топлива от температуры;
  • отсутствие температурных градиентов в зоне конверсии.

5% метана в МВС — уровень, выше которого в процессе гидроконверсии начинается дисбаланс между энергией, необходимой для конверсии топлива, и энергией, выделяемой в процессе конверсии химической энергии. Дальнейшее увеличение концентрации метана в МВС сопровождается пропорциональным снижением температуры продуктов конверсии на выходе из квантового реактора.

Благодаря участию в процессе суперактивных реагентов, в реакторе «Кванттор» созданы идеальные условия для достижения феноменально высокой эффективности конверсии энергии и супернизких уровней эмиссии NOx, СО и CH, — высокая скорость конверсии, относительно низкая температура конверсии и отсутствие температурных градиентов.

Рис.2 Минимальная температура конверсии метана (эксперимент).

Для создания принципиально нового, высокоэкономичного и суперчистого квантохимического реактора, превосходящего практически по всем показателям существующие детонационные камеры сгорания, необходимо было организовать целый ряд необходимых и достаточных условий для протекания выше описанных физико-химических процессов. Часть этих условий изложена в патенте США № 7,086,854 и на рис.3...8.

Рис.3 Температурное поле в реакторе «Кванттор».

Рис.4 План скоростей в квантохимическом реакторе «Кванттор».

Рис.5 Радиальная скорость на входе в квантохимический реактор «Кванттор».

Рис.6 Осевая скорость на входе в квантохимический реактор «Кванттор».

Необходимо особо отметить феноменальную способность квантового реактора «Кванттор» работать на смесях, состоящих из низкокалорийного топлива и воздуха, с содержанием в топливе углекислого газа, азота и воды выше верхнего предела.

Рис.7 Концентрационные пределы распространения пламени в КС и квантохимическом реакторе «Кванттор».

Рис.8 Состав и теплотворная способность низкокалорийного топлива.

Патентуемая технология гидроконверсии углеводородного топлива «Кванттор» была проверена на стендах американских компаний «ALM Turbine» ***, «Dynegy»(запатентованная часть технологии) и «Alturdyn» (рис.9 и 10).

Рис.9 Испытание квантохимического реактора «Кванттор» на стенде компании «ALM Turbine».

Рис.10 Стенд компании «Alturdyn», на котором была подтверждена способность квантохимического реактора «Кванттор» работать в составе ГТД. Слева — автор технологии Рахмаилов А.М.

Краткая характеристика квантохимического реактора «Кванттор»:

1. Полнота конверсии энергии, %
100
2. Содержание NOx в ПК (15 % О2), ppm не более
2
3. Минимальное количество метана в МВС (бедный срыв конверсии), %
2,5
4. Температура конверсии, град. Цельсия
 
минимальная
320
оптимальная
1200
5. Оптимальное содержание метана в МВС, %
4,25
6. Оптимальное содержание кислорода в МВС, %
10,5
7. Максимально допустимое содержание СО2 в топливе, %
35
8. Максимально допустимое содержание N2 в топливе, %
45

Выводы:

  1. Квантохимический реактор «Кванттор» является устройством для гидроконверсии топлива (получение водорода и СО) и энергии (прямое преобразование энергии химической реакции в кинетическую энергию продуктов указанных реакций).
  2. В квантохимическом реакторе «Кванттор» используются химические реакции, скорость которых превышает скорость установления равновесного распределения энергии, выделяющейся при конверсии.