Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Энергетические системы и комплексы

Диссертационная работа:

Власкин Михаил Сергеевич. Реактор гидротермального окисления алюминия непрерывного действия и энергетическая установка на его основе: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.14.01 / Власкин Михаил Сергеевич;[Место защиты: Объединенном институте высоких температур РАН].- Москва, 2012.- 26 с.

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальность темы

Аккумулирование энергии и передача ее на расстояние могут быть осуществлены с помощью неорганических энергоаккумулирующих веществ (НЭАВ) [1]. До настоящего времени основное внимание среди НЭАВ, главным образом, было сфокусировано на водороде. Интерес к использованию его в качестве энергоносителя привел к образованию в энергетике отдельной области исследований, известной как «водородная энергетика». Исследования в этой области активно ведутся уже на протяжении нескольких десятилетий, однако до сих пор остаются нерешенными одни из ее изначальных проблем -проблемы хранения и транспортировки водорода [2, 3].

Проблемы водородной энергетики повышают интерес к твердофазным НЭАВ, в частности к алюминию. Хранение и транспортировка алюминия проблем не вызывает. В случае с алюминием на первый план встает проблема реализации процесса его окисления в составе энергетической установки. От способа ее решения зависит эффективность использования алюминия в качестве энергоносителя и возможные области его применения в энергетике. При этом особое внимание должно уделяться стоимости готового к использованию в составе энергетической установки алюминия и эффективности преобразования его химической энергии в полезные виды энергии.

Одним из способов окисления алюминия, который может быть использован в составе энергетических установок, является окисление алюминия в гидротермальных условиях. Преимуществами данного способа применительно к энергетике являются возможность использования в качестве исходных реагентов промышленных микронных порошков алюминия и воды без каких-либо примесей и активационных добавок, а также относительно высокий температурный потенциал продуктов реакции, в частности пароводородной смеси. В ходе предыдущих исследований [4, 5] было разработано аппаратурное оформление для осуществления реакции гидротермального окисления алюминия (ГТОА), отработаны технологии подачи исходных реагентов в опытный реактор ГТОА и вывода из него продуктов окисления, экспериментально определены диапазоны температур и давлений, обеспечивающие высокую скорость ГТОА, а также отработан периодический режим работы опытного реактора. Однако для внедрения реактора ГТОА и его эффективного использования в составе энергетических установок данных результатов недостаточно.

Для создания энергетических установок на основе ГТОА необходимо исследование и экспериментальное осуществление непрерывного режима

работы реактора ГТОА, а также разработка и экспериментальная реализация научно обоснованных способов преобразования тепла и продуктов реакции в полезные виды энергии.

Цель работы

Расчетное и экспериментальное исследование процесса

гидротермального окисления алюминия (ГТОА) в реакторе непрерывного действия для обоснования возможности эффективного использования ГТОА в составе энергетических и энерготехнологических установок.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

  1. Экспериментальное исследование кинетики ГТОА для установления количественной зависимости характерного времени реакции окисления и конечной степени превращения промышленных микронных порошков алюминия в опытном реакторе от температуры.

  2. Изучение морфологии поверхности, пористой структуры и фазового состава твердых продуктов ГТОА, полученных при различных температурах.

  3. Математическое моделирование работы реактора ГТОА непрерывного действия.

  4. Экспериментальное осуществление непрерывного режима работы опытного реактора ГТОА. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов.

  5. Создание и исследование рабочих параметров экспериментальной когенерационной энергетической установки КЭУ-10 на основе реактора ГТОА непрерывного действия и батареи водородно-воздушных топливных элементов (ВВТЭ) с твердополимерным электролитом. Разработка алгоритма работы КЭУ-10. Определение основных технико-экономических характеристик КЭУ-10 на основе результатов испытаний.

  6. Разработка и математическое моделирование принципиальных схем перспективных энергетических установок на основе реакторов ГТОА.

Научная новизна работы

1. Установлена количественная зависимость характерного времени реакции окисления и конечной степени превращения порошков алюминия с удельной площадью поверхности от 0.07 до 0.5 м /г в опытном реакторе в условиях

1 Число 10 в обозначении «КЭУ-10» означает проектную производительность данной установки по водороду -10 нм3/час.

влажного насыщенного водяного пара от температуры в диапазоне 230-370 С.

  1. Впервые определены закономерности изменения морфологии поверхности, пористой структуры, величины удельной поверхности и среднего размера кристаллов твердых продуктов ГТОА, получаемых в опытном реакторе в условиях влажного насыщенного водяного пара, при изменении температуры в диапазоне 230-370 С. Показано, что с увеличением температуры увеличивается средний размер кристаллов, уменьшается удельная поверхность, уменьшается удельный объем микропор и увеличивается удельный объем мезо- и макропор твердых продуктов ГТОА.

  2. Разработана математическая модель реактора ГТОА непрерывного действия, на основе которой установлена взаимосвязь между значениями массового отношения воды к алюминию в подаваемой в реактор алюмоводной суспензии ср, поддерживаемого в реакторе давления Р и равновесной температуры в реакторе Т в ходе непрерывного режима его работы, установлена зависимость массовых и тепловых потоков на выходах из реактора ГТОА в зависимости от ср и Р, определены границы существования в реакторе влажного насыщенного водяного пара в области параметров (<р, Т, Р), определена оптимальная область параметров (<р, Т, Р), обеспечивающая, как высокую скорость окисления алюминия, так и высокую термодинамическую эффективность реактора ГТОА непрерывного действия. Проведена оценка необходимого для организации непрерывного процесса ГТОА объема реактора в зависимости от его производительности, поддерживаемых в нем термодинамических параметров и дисперсности используемого порошка.

  3. Впервые реализован непрерывный режим работы реактора ГТОА. Показано, что экспериментально определенные значения установившейся температуры реактора, а также массовых и тепловых потоков на выходах из реактора находятся в удовлетворительном соответствии с результатами расчетов.

  4. Впервые создана энергетическая установка (КЭУ-10) на основе реактора ГТОА непрерывного действия и батареи твердополимерных ВВТЭ. Разработан алгоритм работы КЭУ-10. Проведены испытания КЭУ-10 в автономном режиме с выработкой электрической энергии, тепла и компримированного (до 10 МПа) водорода. В результате испытаний КЭУ-10 установлено, что при условии использования получаемого водорода в ВВТЭ полезная электрическая мощность установки достигает 10 кВт, потребление собственных нужд - 4.6 кВт, электрический КПД - 12 %, коэффициент использования топлива - 72 %.

6. Предложены принципиальные схемы перспективных энергетических установок, использующих реакторы ГТОА в качестве генераторов парово дородной смеси, и рассчитаны их термодинамические параметры. Показана теоретическая возможность повышения электрического КПД энергетических установок на основе ГТОА до 30-40 %.

Практическая значимость работы

В результате выполненных исследований и разработок показана возможность и определены условия для использования реакторов ГТОА для энергетических (производство электрической энергии и тепла) и энерготехнологических (дополнительное производство товарных продуктов окисления алюминия) применений.

Результаты исследования кинетики ГТОА и изучения физико-химических свойств твердых продуктов реакции, а также методика расчета параметров реактора ГТОА непрерывного действия могут быть использованы при проектировании реакторов ГТОА и оптимизации режимных параметров их работы. Показано, что для повышения скорости реакции и степени превращения алюминия реакцию его окисления в составе энергетических установок целесообразно проводить в области влажного водяного пара при как можно более высоких температурах, а при использовании реактора ГТОА для производства товарных окислов алюминия термодинамические условия в реакторе должны определяться требованиями к твердым продуктам окисления. Показана возможность целенаправленного производства способом ГТОА нанокристаллических оксидов и гидроксидов алюминия с заданными физико-химическими свойствами. Полученные в результате ГТОА твердые продукты могут быть использованы не только для регенерации алюминия, но и реализованы в таких областях, как производство сорбентов, катализаторов, огнеупоров, прекурсоров лейкосапфиров, подложек микросхем, ювелирных изделий и др.

Экспериментальная установка КЭУ-10 является прототипом промышленных энергетических установок на основе ГТОА. Результаты, полученные в ходе создания и испытаний КЭУ-10, должны стать основой проектирования будущих установок на основе реакторов ГТОА.

Разработанный программный комплекс для расчета схем энергетических установок может быть использован, как для корректировки уже предложенных схем, так и для разработки новых. Результаты расчетов термодинамических параметров принципиальных схем энергетических установок могут быть использованы в качестве исходных данных при их проектировании. Энергетические установки на основе реакторов ГТОА являются

перспективными для замещения энергетических установок, работающих на жидких углеводородах в децентрализованной энергетике, в районах с высокой экологической напряженностью, например, в мегаполисах, в качестве резервных установок, в том числе для покрытия пиковых нагрузок, а также для специальных применений.

Положения, выносимые на защиту

  1. Экспериментально установленные зависимости характерного времени реакции окисления и конечной степени превращения порошков алюминия с удельной площадью поверхности от 0.07 до 0.5 м /г в опытном реакторе в условиях влажного насыщенного водяного пара от температуры в диапазоне 230-370 С.

  2. Экспериментально определенные закономерности изменения морфологии поверхности, пористой структуры, фазового состава, величин среднего размера кристаллов и удельной поверхности твердых продуктов окисления микронных порошков алюминия во влажном насыщенном водяном паре в зависимости от температуры их синтеза в диапазоне 230-370 С.

  3. Методика расчета параметров реактора ГТОА непрерывного действия и определенные на ее основе:

область оптимальных параметров (ср, Т, Р), обеспечивающая, как высокую скорость окисления алюминия, так и высокую термодинамическую эффективность реактора ГТОА в составе энергетических установок;

зависимость необходимого объема реактора ГТОА непрерывного действия от его производительности, поддерживаемых в нем термодинамических параметров и дисперсности используемого порошка;

взаимосвязь между параметрами <р, Т и Р; зависимость массовых и тепловых потоков на выходах из реактора от и Р; границы существования в реакторе влажного насыщенного водяного пара в области параметров (<р, Т, Р).

  1. Алгоритм работы реактора ГТОА, обеспечивающий непрерывность его действия, подтвержденный результатами расчетных и экспериментальных исследований.

  2. Результаты разработки и экспериментального исследования рабочих параметров энергетической установки КЭУ-10.

  3. Принципиальные схемы перспективных энергетических установок, использующих реакторы ГТОА в качестве генераторов пароводородной смеси, и результаты расчетов их термодинамических параметров.

Личный вклад автора

Все положения, выносимые на защиту, получены лично автором или при его определяющем участии. Автором проведены эксперименты по исследованию кинетики ГТОА и получены образцы твердых продуктов реакции для изучения их физико-химических свойств. Автором разработана методика расчета параметров реактора ГТОА непрерывного действия. Автор участвовал в экспериментах по отработке технологии работы реактора ГТОА в непрерывном режиме и в разработке КЭУ-10. Автором разработан алгоритм работы КЭУ-10. Под руководством автора проводились испытания КЭУ-10. Автором предложены и обоснованы пути повышения термодинамической эффективности установок на основе ГТОА.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях: МФТИ (Москва, 2007-2009), Физические проблемы водородной энергетики (Санкт-Петербург, 2007, 2009-2011), Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение (Москва, 2008), Возобновляемые источники энергии (Москва, 2008, 2010), Водородная энергетика как альтернативный источник энергии (Москва, 2009), Hydrogen and Fuel Cells (Vancouver, 2009), Hydrogen storage technologies (Moscow, 2009), Russia-Taiwan joint symposium on hydrogen and fuel cell technologies (Moscow, 2009), Международный симпозиум по водородной энергетике (Москва, 2009), Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве (Москва, 2010), 50 лет ОИВТ РАН (Москва, 2010), Энергия молодости - инновационному развитию России (Москва, 2010).

Публикации

По материалам работы опубликовано 9 статей в реферируемых журналах, 14 тезисов в сборниках трудов конференций, получен 1 патент.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 276 наименований. Работа изложена на 163 страницах, содержит 58 рисунков и 17 таблиц.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net