Деловой, научно-технический журнал

Металлотермическое топливо - нетрадиционное тепло

 

50 г металлотермической смеси = 3 кг угля, разумеется,  по теплотворной способности. «Чудо!» - удивятся одни.

«Реальность» - уверены в Институте физики ДНЦ РАН.

 

 

 

М.М. АБАЧАРАЕВ, д.т.н.,  И.М. АБАЧАРАЕВ, д.т.н. Институт физики ДНЦ РАН, Россия, г.Махачкала


Справка:Абачараев Муса Магомедович, д.т.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ и РД, заведующий Отделом физико-технических проблем машиноведения Института физики Дагестанского научного центра (ДНЦ) РАН. Абачараев Ибрагим Мусаевич, д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник Отдела физико-технических проблем машиноведения Института физики ДНЦ РАН.

Все возрастающее потребление углеводородного топлива (уголь, древесина, газ, нефть) для удовлетворения энергетических нужд человечества ведет его к неминуемому кризису, так как эти источники практически не возобновляемы (кроме древесины). Можно сказать, что век мерзлоты не за горами.

Использование традиционных топлив дает нам необходимую энергию и одновременно интенсивно отравляет. Ведь для сгорания углеводородного топлива затрачивается кислород земной атмосферы, а взамен ему выбрасываются отравляющие человечество газы (окись углерода, сернистые, азотные выбросы и др.). Стараясь отдалить ожидаемую энергетическую и биологическую катастрофу, ученые-энергетики налаживают применение нетрадиционных источников энергии (ветровая энергия, гидроэнергия, энергия расщепленного атома и др.). Практическое извлечение этих видов энергии связано с определенными специфическими трудностями, требует значительных капиталовложений, что далеко не каждому под силу. Довольно трудно предсказать и возможность широкого использования этих видов энергии в космической технике, в двигателях внешнего и внутреннего сгорания или в качестве топочного сырья в быту и технике. Возникает вопрос: нет ли иных, нетрадиционных путей получения большого теплового эффекта, без затрат атмосферного кислорода и без отравления окружающей среды?

По стопам Бекетова

Для решения этой сложнейшей проблемы мы впервые в мире воспользовались трудами великого русского ученого химика Н.Н. Бекетова, открывшего в 1859 году явление металлотермии, которое в последующем использовали в металлургии для получения тугоплавких металлов (Сг, Ti, Zr и др.).

Но энергетики обходили и обходят этот метод стороной из-за малой изученности или априорно считая его малоперспективным. Особенно их скептицизм распространяется в области использования металлотермического топлива для бытовых целей. Мы же отошли от этого традиционного представления. Провели подробнейшие исследования, получили патент на изобретение по составу металлотермического топлива и показали, что оно представляет собой ценнейший энергопродукт, способный сберечь человечество от самоотравления и теплового кризиса.

Помимо этого были проведены обширные исследования по изучению возможности практического использования нового нетрадиционного высококалорийного, экологически безопасного металлотермического топлива. Именно оно в ближайшее время способно избавить человечество от дефицита углеводородных источников тепловой энергии.

Очень важными для рационального потребления этого топлива являются вопросы оптимизации количественного соотношения его компонентов, которые частично решены нами по результатам нижеизложенных исследований. Упрощенно состав металло-термической смеси можно представить в виде уравнения:

G = х1 Ме'О + х2е" + х3

где G - общая масса; Me' - восстанавливаемый окисел-теплоноситель; х1 - его процентное содержание в смеси; х2 - содержание восстановителя Me" в смеси; х3 - содержание балластной добавки (теплопоглотителя). Если принять G за 100%, то

x1+ х2 + x3 = 100%.

К сожалению, конкретные исследования по количественному определению коэффициентов х1; X2; X3 еще не были проведены. Что представляют собой Ме' и Ме''? Согласно ряду активности металлов: Ca, Li, Mg, Al, Ti, Zr, B, Cr, Si, Mn любой впереди стоящий в этом ряду металл (Ме'') является восстановителем окислов металлов (Ме'О), стоящих за ним. А где взять Ме'О? В этом нет затруднений, так как наша земная кора сплошь состоит из окислов различных элементов.

Чтобы развенчать мифы о невозможности использования металлотермического топлива в бытовом секторе и для технических целей мы провели тщательнейшие исследования. Ниже излагаются результаты опытов по решению этой очень значимой для энергетиков задачи.


Справка:Николай Николааевич Бекетов — (1 января (13) 1827 года, Альферьевка (Новая Бекетовка), Пензенская губерния — 30 ноября (13 декабря) 1911 года, Санкт-Петербург) — один из основоположников физической химии и химической динамики, заложил основы принципа алюминотермии. Русский физико-химик, академик Петербургской АН (1886). Окончив Казанский университет в 1849 году, работал у Н. Н. Зинина. С 1855 года адъюнкт химии, в 1859-1887 годах профессор Харьковского университета. В 1865 году защитил докторскую диссертацию «Исследования над явлениями вытеснения одних металлов другими». В 1886 году переехал в Петербург, где работал в академической химической лаборатории и преподавал на Высших женских курсах. В 1890 году читал в Московском университете курс «Основные начала термохимии». Бекетов открыл вытеснение металлов из растворов их солей водородом под давлением и установил, что магний и цинк при высоких температурах вытесняют другие металлы из их солей. В 1859-1865 годах показал, что при высоких температурах алюминий восстанавливает металлы из их оксидов. Позднее эти опыты послужили отправной точкой для возникновения алюминотермии.

Доказали. Убедили?

В качестве восстанавливаемых окислов были исследованы распространенные в земной коре Бе2Оз, Сг2О3 и МпО. Это очень важно с практической точки зрения, так как температура возбуждения реакции их восстановления (горения) находится в пределах 600...800°С, то есть такие смеси можно «поджечь», буквально, спичкой.

При выборе восстановителя необходимо учесть следующие важные обстоятельства: начало «горения» при сравнительно низких температурах; доступность в приобретении и дешевизна.

После тщательного анализа известных восстановителей (Al, Mg, Si, Ti, В) для окислов железа, хрома, марганца нами был выбран порошковый алюминий и осуществлены исследования по определению его оптимального количества в составе метал-лотермического топлива. Установлено, что оптимальным (по температуре горения и теплотворности) является смесь, содержащая 20% А!

Горение этого топлива происходит без потребления атмосферного кислорода и без газовыделений (т.е. оно экологически чистое), но реакция протекает бурно, быстротечно с выделением огромного количества тепла (50 000...80 000 ккал/кг) температура в месте зарождения реакции (скажем, на поддоне печи) повышается до 2800...3000 °С, и если не принять специальных мер по снижению температуры горения, то топки печей практически будут выведены из строя (оплавятся) в первые же моменты применения нового топлива.

Во избежание этого для оптимизации температуры горения металлотермического топлива, в его состав вводят специальные балластные добавки - теплопоглотители, которые не участвуют в реакции горения - инертны при избранном восстановителе. Для исследований и оптимизации температуры горения смеси (2О3 + + А!) нами были проведены опыты с добавками глинозема.

Как показали результаты этих исследований (табл. 1), при введении в состав металлотермического топлива балластной добавки 10...40% (АЬ2О3) температура горения снижается от 2440 до 830 °С.

Наиболее оптимальным является топливо состава 50% Fe2O3+ 20% АI + 30% АКО3, горение которого сопровождается повышением температуры окружающей среды до 1220 °С. Это практически допустимо для топок печей (котлов) различного ранга. Названный состав предложен нами в качестве средства для производства топливных брикетов и пакетов для бытового и технического использования.

Еще один важный вывод можно сделать по результатам проведенных исследований: металлотермическое топливо - безотходное. Это связано с тем, что продукты сгорания - шлак, содержат ценные отходы: чистые восстановленные металлы (Fe, Cr, Mn...), которые являются сырьем для металлургической отрасли (их в шлаках 8-9%) и новые окислы (глинозем, кремнезем и др.) - сырье для строительных материалов.

Выводы

На базе проведенных обширных исследований можно сделать следующие основные выводы:

  • «Сгорание» металлотермических брикетов не требует расхода кислорода, может протекать в космосе и под водой.
  • При сгорании нет газовыделений и не происходит отравления окружающей среды, то есть обеспечивается экологическая безопасность.
  • «Отходы» сгорания - высококачественный продукт, содержащий чистые восстановленные металлы: хром, марганец, железо и др., которые могут быть использованы с прибылью.
  • Небольшая масса металлотермических брикетов (50-70 г) упрощает процессы их транспортировки и хранения.
  • Металлотермические брикеты взрыво- и пожаробезопасны.
  • Один брикет металлотермической смеси массой 50 г по теплотворной способности заменяет 3 кг угля и в 2,2 дешевле этого эквивалента.

Россия может стать основным поставщиком металлотермических брикетов для мирового рынка, так как является страной, самой богатой компонентами, необходимыми для их производства.

Помимо исследований, нами была разработана стратегия практического многоцелевого использования металлотермичес-кого топлива, согласно которой для бытовых целей предложены твердотельные брикеты, получаемые методом прессования. Для нужд ТЭЦ и промышленных котлов предлагается использовать порошковые композиции, поставляемые специальными пакетами.

Изменение отношения к высококалорийным металлотермическим топливам позволит существенно повысит эффективность отечественного ТЭК, особенно в его теплотворной части.  

Custom Search

Вход на сайт

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});