RU2154185C1

RU2154185C1 - Environment-oriented method for heat generation

Info

Publication number: RU2154185C1
Application number: RU99118089/06A
Authority: RU
Inventors: Ю.М. Шевелев
Original assignee: Шевелев Юрий Матвеевич
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 1999-08-20
Publication date: 2000-08-10

Abstract

FIELD: heat generation by internal-combustion engines and thermal power stations. SUBSTANCE: method involves delivery of fuel mixture to working area holding at least oxidizing agent and natural gas, primarily methane, ignition and combustion of fuel mixture; oxygen is proposed as oxidizing agent and hydrogen peroxide is to be supplied to working area upon ignition of fuel mixture. In the process, provision is made to prevent emission of pollutants such as carbon oxide and nitric oxides into atmosphere. EFFECT: improved environmental friendliness, increased amount of heat generated. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к топливно-энергетической промышленности и может быть использовано для получения тепловой энергии, в частности в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, а также может быть использовано на тепловых электростанциях. The invention relates to the fuel and energy industry and can be used to produce thermal energy, in particular in carburetor internal combustion engines, and can also be used in thermal power plants.

Известен способ получения тепловой энергии, при котором производят сжигание бензина или пропан-бутановой газовой смеси в присутствии воздуха [1]. Способ используется в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания для получения тепловой энергии для последующего ее преобразования в механическую. Недостатком способа является низкая экологичность, что обусловлено выделением вредных веществ, являющихся побочными продуктами сгорания, в том числе окиси углерода и окислов азота. A known method of producing thermal energy, which produce the burning of gasoline or propane-butane gas mixture in the presence of air [1]. The method is used in carburetor internal combustion engines to produce thermal energy for its subsequent conversion into mechanical energy. The disadvantage of this method is the low environmental friendliness, due to the release of harmful substances, which are by-products of combustion, including carbon monoxide and nitrogen oxides.

Известен наиболее близкий к предлагаемому способ получения тепловой энергии, при котором подают в рабочий объем топливную смесь, включающую метан и воздух, являющийся окислителем, воспламеняют и сжигают топливную смесь [2]. Способ также обладает низкой экологичностью, обусловленной выделением в атмосферу вредных веществ, таких как окись углерода (угарный газ) и окислы азота. Known closest to the proposed method for producing thermal energy, in which a fuel mixture is introduced into the working volume, including methane and air, which is an oxidizing agent, ignite and burn the fuel mixture [2]. The method also has low environmental friendliness due to the emission of harmful substances into the atmosphere, such as carbon monoxide (carbon monoxide) and nitrogen oxides.

Изобретение направлено на решение задачи повышения экологичности способа получения тепловой энергии за счет исключения выброса в атмосферу вредных веществ, таких, как окись углерода и окислы азота, при одновременном повышении количества получаемой тепловой энергии. The invention is aimed at solving the problem of improving the environmental friendliness of the method of producing thermal energy by eliminating the emission of harmful substances into the atmosphere, such as carbon monoxide and nitrogen oxides, while increasing the amount of thermal energy produced.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе получения тепловой энергии, при котором подают в рабочий объем топливную смесь, включающую по меньшей мере окислитель и природный газ, преимущественно метан, воспламеняют и сжигают топливную смесь, предлагается в качестве окислителя использовать кислород, а после воспламенения топливной смеси предлагается дополнительно подавать в рабочий объем пероксид водорода. The essence of the invention lies in the fact that in the method of producing thermal energy, in which a fuel mixture is supplied to the working volume, including at least an oxidizing agent and natural gas, mainly methane, ignite and burn the fuel mixture, it is proposed to use oxygen as an oxidizing agent, and after ignition the fuel mixture is proposed to additionally supply hydrogen peroxide to the working volume.

При этом подача пероксида водорода может производиться путем смешивания его с природным газом. In this case, hydrogen peroxide can be supplied by mixing it with natural gas.

Подача пероксида водорода производится после воспламенения топливной смеси преимущественным образом тогда, когда температура топливной смеси в рабочем объеме установится не меньшей, чем температура разложения пероксида водорода. The supply of hydrogen peroxide is carried out after ignition of the fuel mixture in an advantageous way when the temperature of the fuel mixture in the working volume is not less than the decomposition temperature of hydrogen peroxide.

Пероксид водорода используют, преимущественно, в виде 80%-ного водного раствора. Подачу пероксида водорода производят преимущественным образом в присутствии оксида марганца. Hydrogen peroxide is used mainly in the form of an 80% aqueous solution. The supply of hydrogen peroxide is predominantly carried out in the presence of manganese oxide.

В предлагаемом изобретении использование кислорода в качестве окислителя, в отличие от воздуха, позволяет избежать выделения в атмосферу окислов азота и других вредных веществ и, в то же время, активизирует процесс горения метана, увеличивая количество получаемой тепловой энергии. In the present invention, the use of oxygen as an oxidizing agent, unlike air, avoids the release of nitrogen oxides and other harmful substances into the atmosphere and, at the same time, activates the combustion of methane, increasing the amount of heat energy received.

Подача в рабочий объем пероксида водорода после воспламенения топливной смеси приводит к тому, что окись углерода, образующаяся после воспламенения во время сжигания метана, дополнительно окисляется пероксидом водорода до углекислого газа. В то же время происходит увеличение получаемой тепловой энергии за счет добавочной энергии, выделяющейся при разложении пероксида водорода. The supply of hydrogen peroxide to the working volume after ignition of the fuel mixture leads to the fact that the carbon monoxide generated after ignition during methane combustion is additionally oxidized by hydrogen peroxide to carbon dioxide. At the same time, there is an increase in the resulting thermal energy due to the additional energy released during the decomposition of hydrogen peroxide.

Подача пероксида водорода в рабочий объем после того, как температура топливной смеси и рабочем объеме установится не меньшей, чем температура разложения пероксида водорода, интенсифицирует процесс разложения пероксида водорода. The supply of hydrogen peroxide to the working volume after the temperature of the fuel mixture and the working volume is not lower than the decomposition temperature of hydrogen peroxide, intensifies the process of decomposition of hydrogen peroxide.

Подача в рабочий объем пероксида водорода путем смешивания его с природным газом позволяет использовать способ в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания для получения тепловой энергии и последующего ее преобразования в механическую. The supply of hydrogen peroxide to the working volume by mixing it with natural gas allows the method to be used in carburetor internal combustion engines to produce thermal energy and its subsequent conversion into mechanical energy.

Использование пероксида водорода преимущественно в виде 80%-ного водного раствора позволяет оптимизировать процесс разложения пероксида водорода, поскольку при увеличении концентрации пероксида водорода в водном растворе увеличивается его взрывоопасность, а при уменьшении концентрации снижаются окислительные свойства раствора. The use of hydrogen peroxide mainly in the form of an 80% aqueous solution makes it possible to optimize the decomposition of hydrogen peroxide, since an increase in the concentration of hydrogen peroxide in an aqueous solution increases its explosiveness, and with a decrease in concentration, the oxidizing properties of the solution decrease.

Присутствие оксида марганца в качестве катализатора способствует наиболее полному разложению пероксида водорода, что также увеличивает количество выделяемой тепловой энергии. The presence of manganese oxide as a catalyst contributes to the most complete decomposition of hydrogen peroxide, which also increases the amount of heat released.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. The drawing shows a functional diagram of a device that implements the proposed method.

Устройство содержит рабочий объем 1, снабженный патрубком 2 для подачи кислорода. Трубопровод 3 соединяет рабочий объем 1 с распределительным объемом 4, который снабжен заслонкой 7, патрубком 5 для подачи метана и патрубком 6 для подачи пероксида водорода. The device contains a working volume 1, equipped with a pipe 2 for supplying oxygen. The pipeline 3 connects the working volume 1 with a distribution volume 4, which is equipped with a shutter 7, a pipe 5 for supplying methane and a pipe 6 for supplying hydrogen peroxide.

Рабочий объем 1 может, например, представлять собой цилиндр карбюраторного двигателя внутреннего сгорания, а распределительный объем 4 - карбюратор. The working volume 1 can, for example, be a cylinder of a carburetor internal combustion engine, and the distribution volume 4 is a carburetor.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью вышеописанного устройства следующим образом. The proposed method can be implemented using the above device as follows.

Способ осуществляется в два этапа. На подготовительном этапе заслонка 7 ставится в первое положение, при котором в трубопровод 3, а следовательно и в рабочий объем 1, возможен доступ метана из распределительного объема 4, а доступ пероксида водорода невозможен. В результате чего рабочий объем 1 наполняется метаном. Одновременно в рабочий объем 1 через патрубок 2 подают кислород, после чего образовавшуюся топливную смесь воспламеняют посредством воспламенительного устройства (на чертеже не показано), в качестве которого может быть использована, например, свеча зажигания. При горении метана происходит его окисление кислородом и разложение на окись углерода и водород с выделением тепловой энергии, за счет которой происходит постепенное нагревание топливной смеси и рабочего объема 1. The method is carried out in two stages. At the preparatory stage, the shutter 7 is placed in the first position, in which methane can be accessed from the distribution volume 4 into the pipeline 3, and therefore into the working volume 1, and hydrogen peroxide is not available. As a result, the working volume 1 is filled with methane. At the same time, oxygen is supplied to the working volume 1 through the nozzle 2, after which the resulting fuel mixture is ignited by means of an igniter (not shown in the drawing), for which, for example, a spark plug can be used. When methane is burned, it is oxidized by oxygen and decomposed into carbon monoxide and hydrogen with the release of thermal energy, due to which the fuel mixture and the working volume are gradually heated 1.

После того, как температура топливной смеси в рабочем объеме 1 установится не меньшей, чем температура разложения пероксида водорода, т.е. не менее 1100^oC, начинается основной этап. Заслонка 7 ставится во второе положение, при котором в трубопровод 3, а следовательно и в рабочий объем 1, возможен одновременный доступ метана и пероксида водорода из распределительного объема 4. Метан и пероксид водорода смешиваются, проходя через трубопровод 3, после чего поступают в рабочий объем 1. Процесс горения топливной смеси в рабочем объеме 1 продолжается при участии пероксида водорода, при этом происходит разложение метана на окись углерода и водород, разложение пероксида водорода на кислород и водород и последующее полное окисление этих продуктов распада. Окись углерода окисляется до углекислого газа, а водород окисляется до воды, то есть продуктами распада являются экологически чистые вещества. В целом процесс сжигания топливной смеси может быть описан следующей формулой:

где me - массовая единица (г, кг).After the temperature of the fuel mixture in the working volume 1 is set no lower than the decomposition temperature of hydrogen peroxide, i.e. not less than 1100 ^o C, the main stage begins. The damper 7 is placed in the second position, in which methane and hydrogen peroxide from the distribution volume 4 are simultaneously accessible to the pipeline 3, and therefore to the working volume 1. Methane and hydrogen peroxide are mixed, passing through the pipeline 3, and then enter the working volume 1. The combustion process of the fuel mixture in the working volume 1 continues with the participation of hydrogen peroxide, with the decomposition of methane into carbon monoxide and hydrogen, the decomposition of hydrogen peroxide into oxygen and hydrogen and subsequent complete oxidation tion of these decay products. Carbon monoxide is oxidized to carbon dioxide, and hydrogen is oxidized to water, that is, environmentally friendly substances are decay products. In general, the process of burning a fuel mixture can be described by the following formula:

where me is the mass unit (g, kg).

Тепловая энергия, получаемая в результате реализации предлагаемого способа, т. е. тепловая энергия, выделяющаяся в процессе этой реакции, складывается из трех составляющих:
2 • 390 - 2•188 + 3,5•571 = 2402,5 кДж,
где первая составляющая отражает процесс окисления углерода; вторая составляющая отражает процесс разложения пероксида водорода; а третья составляющая отражает процесс окисления водорода. Таким образом в процессе окисления водорода, который предварительно выделяется при распаде пероксида водорода, образуется около 800 кДж/моль или около 1600 кДж энергии.The thermal energy obtained as a result of the implementation of the proposed method, i.e., the thermal energy released during this reaction, consists of three components:
2 • 390 - 2 • 188 + 3.5 • 571 = 2402.5 kJ,
where the first component reflects the process of carbon oxidation; the second component reflects the decomposition of hydrogen peroxide; and the third component reflects the process of hydrogen oxidation. Thus, in the process of hydrogen oxidation, which is preliminarily released during the decomposition of hydrogen peroxide, about 800 kJ / mol or about 1600 kJ of energy is formed.

Пероксид водорода может подаваться в рабочий объем в присутствии катализатора - оксида марганца, который предварительно наносят на внутреннюю поверхность в той зоне трубопровода 3, где температура не превышает 500^oC. При этом в процессе сжигания топливной смеси, содержащей пероксид водорода, подвергнутый воздействию оксида марганца, пероксид водорода разлагается на кислород и воду. Воздействие на пероксид водорода оксида марганца способствует ускорению разложения пероксида водорода и увеличению количества выделяемой тепловой энергии. Тепловая энергия выделяющаяся в процессе реакции, проходящей с участием катализатора, складывается из следующих составляющих
2•390 + 2•98 + 3•571 = 2689 кДж,
из чего следует, что в процессе окисления водорода, который предварительно выделяется при распаде пероксида водорода, образуется около 900 кДж/моль или около 1800 кДж энергии, что больше на 200 кДж, чем в случае отсутствия катализатора.Hydrogen peroxide can be supplied to the working volume in the presence of a catalyst - manganese oxide, which is previously applied to the inner surface in that zone of the pipeline 3, where the temperature does not exceed 500 ^o C. In this process, during the combustion of a fuel mixture containing hydrogen peroxide subjected to manganese oxide , hydrogen peroxide decomposes into oxygen and water. The effect of manganese oxide on hydrogen peroxide accelerates the decomposition of hydrogen peroxide and increases the amount of thermal energy released. The thermal energy released during the reaction involving the catalyst is composed of the following components
2 • 390 + 2 • 98 + 3 • 571 = 2689 kJ,
from which it follows that in the process of hydrogen oxidation, which is preliminarily released during the decomposition of hydrogen peroxide, about 900 kJ / mol or about 1800 kJ of energy is generated, which is 200 kJ more than in the absence of a catalyst.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение количества получаемой тепловой энергии, так, например, при сгорании одного килограмма смеси бензина и воздуха количество этой энергии составляет 9015 кДж [1], а при сгорании одного килограмма предлагаемой топливной смеси без катализатора - 10045 кДж, а в присутствии катализатора - 11245 кДж. Наряду с повышением количества выделяемой тепловой энергии, предлагаемый способ, по сравнению с известными, является более экологичным, так как позволяет получать тепловую энергию без выброса в атмосферу таких вредных веществ, как угарный газ и окислы азота. Thus, the proposed method provides an increase in the amount of thermal energy produced, for example, when one kilogram of a mixture of gasoline and air is burned, the amount of this energy is 9015 kJ [1], and when one kilogram of the proposed fuel mixture is burned without a catalyst, 10045 kJ, and the presence of a catalyst is 11245 kJ. Along with an increase in the amount of thermal energy released, the proposed method, in comparison with the known ones, is more environmentally friendly, since it allows the production of thermal energy without the emission of harmful substances such as carbon monoxide and nitrogen oxides into the atmosphere.

Источники информации
1. Аксешин В.А. и др. Газоболонная аппаратура нового поколения для легковых автомобилей. М., Транспорт, 1995.Sources of information
1. Akseshin V.A. and other gas-cylinder equipment of a new generation for cars. M., Transport, 1995.

2. Реутов О.А. Органический синтез. М., 1954. 2. Reutov O.A. Organic synthesis. M., 1954.

Claims

1. A method of producing thermal energy, in which a fuel mixture is supplied to the working volume, including at least an oxidizing agent and natural gas, mainly methane, ignite and burn the fuel mixture, characterized in that oxygen is used as an oxidizing agent, and after ignition of the fuel mixture, the working volume is additionally supplied with hydrogen peroxide.

2. The method of producing thermal energy according to claim 1, characterized in that the supply of hydrogen peroxide is produced by mixing it with natural gas.

3. The method of producing thermal energy according to claim 1, characterized in that the supply of hydrogen peroxide is carried out after ignition of the fuel mixture, when the temperature of the fuel mixture in the working volume is not less than the decomposition temperature of hydrogen peroxide.

4. The method of producing thermal energy according to claim 1, characterized in that hydrogen peroxide is used mainly in the form of an 80% aqueous solution.

5. The method of producing thermal energy according to claim 1, characterized in that the hydrogen peroxide is produced mainly in the presence of manganese oxide.