Сравнительный анализ удельных показателей когенерационной газотурбинной установки, работающей на продуктах окисления алюминия и бора

Представлена когенерационная энергетическая установка на базе газотурбинного двигателя с внешним подводом теплоты к рабочему телу-воздуху. В качестве топлива использовались мелкодисперсные порошки алюминия или бора, в качестве окислителя – воздух. На основании уравнений химической термодинамики рассчитаны теплота окисления алюминия алюминиевой пудры 31 005 кДж на 1кг алюминия и 26 283 кДж на 1кг бора. Определено, что коэффициент использования топлива энергетической установкой, работающей на алюминии, составляет 0,578, а на боре – 0,501; удельный расход условного топлива при производстве электрической энергии – 163,6 гр у.т./( кВт·ч), на боре – 185 гр у.т./(кВт·ч), а тепловой энергии – 67,6 кг у.т./ГДж и 76,49 кг у.т./ГДж соответственно. Удельная выработка электрической энергии на внешнем тепловом потреблении при работе на алюминии и боре равняется 136,5 кВт·ч/ГДж и 136,5 кВт·ч/ГДж соответственно. Приведены удельные затраты топлива на энергетической установке без использования теплоты выхлопа после газовой турбины для подогрева сетевой воды. Полученные данные сравнивались с аналогичными для действующих энергетических установок, работающих на органическом топливе. Сведены материальные и тепловые балансы. Установлено, что в ГТУ предпочтительнее использовать в качестве топлива алюминий, так как бор показал худшие удельные параметры.

газотурбинный двигатель, алюминий, бор, воздух, удельный расход топлива, коэффициент полезного действия, тепловые потери, теплота окисления, теплоемкость, баланс, электролиз, когенерация

1. Щеклеин, С.Е. Моделирование нестационарных случайных процессов в задачах обоснования возобновляемых источников энергии / С.Е. Щеклеин, В.В. Власов // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2012. – № 3 (107). – С. 67–71.

2. Обухова, Н.В. О возможности совместной работы СЭС с энергосистемой по параметрам качества энергии / Н.В. Обухова, А.О. Егоров, С.Е. Щеклеин // Труды второй научно-технической конференции молодых ученых Уральского энергетического института. Екатеринбург, 2017. – С. 236–238.

3. Елистратов, В.В. Аккумулирование электроэнергии от ВИЭ для централизованного энергоснабжения / В.В. Елистратов // В сборнике: Природоохранные и гидротехнические сооружения: проблемы строительства, эксплуатации, экологии и подготовки специалистов. Материалы Международной научно-технической конференции. Самарский государственный архитектурно-строительный университет. – 2014. – С. 289–294.

4. Franzoni, F. Combined hydrogen production and power generation from aluminum combustion with water:Analysis of the concept / F. Franzoni [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – Vol. 35. – Iss. 4. – P.1548–1559.

5. Shkolnikov, E.I. Aluminum as energy carrier: Feasibility analysis and current technologies overview / E.I. Shkolnikov, A.Z. Zhuk, M.S. Vlaskin // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2011. – Vol. 15. – Iss. 9. – P. 4611–4623.

6. Дудоладов, А.О. Экспериментальное исследование процессов низкотемпературного окисления алюминия с выделением водорода / А.О. Дудоладов [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 21 (185). – С. 112–120.

7. Амбарян, Г.Н. Генерация водорода путем окисления алюминия в низкоконцентрированном водном растворе калиевой щелочи при интенсивном перемешивании / Г.Н. Амбарян [и др.] // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2015. – № 23 (187). – С. 95–104.

8. Ларичев, М.Н. Реакция алюминиевых частиц с жидкой водой и водяным паром – перспективный источник водорода для нужд водородной энергетики / М.Н. Ларичев [и др.] // Известия Российской академии наук. Энергетика. – 2007. – № 5. – С.125–139.

9. Ларичев, М.Н. Окисление алюминиевого порошка АСД-4 водой. Возможности химической и физической активации процесса. Получение наноразмерных продуктов окисления / М.Н. Ларичев [и др.] // Известия Российской академии наук. Энергетика. –2010. – № 2. – С. 85–104.

10. Bergthorson, J.M. Directcombustionof recyclable metal fuels for zero-carbon heat and power / J.M. Bergthorson [et al.] // Applied Energy. – 2015. – Vol. 160. – P. 368–382.

11. Bergthorson, J.M. Recyclable metal fuels for clean and compact zero-carbon power / J.M. Bergthorson // Progress in Energy and Combustion Science. – 2018. – Vol. 68. – P. 169–196.

12. Kleiner, K. Powdered Metal: The Fuel of the Future / K. Kleiner // New Scientist. – 2005. – Vol. 185. – Iss. 2522. – P. 34–37.

13. Korotkikh, A. Ignition study of high-energy materials containing Al, B, AlB2 and TiB2 powders / A. Korotkikh [et al.] // В сборнике: MATEC Web of Conferences. – 2017. – Vol. 33.– «33rd Siberian Thermophysical Seminar, STS 2017». – P. 03016.

14. Коротких, А.Г. Исследование кинетики окисления и горения порошков алюминия / А.Г. Коротких, И.А. Ионова, М.К. Карпович // Сборник трудов XVIII Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». – Томск, 2012. – С. 359–360.

15. Коротких, А.Г. Зажигание и горение высокоэнергетических материалов, содержащих алюминий, бор и диборид алюминия / А.Г. Коротких [и др.] // Химическая физика и мезоскопия. – 2018. – Т. 20. – № 1. – С. 5–14.

16. Малинин В.И., Серебренников С.Ю., Бербек А.М. Анализ особенностей горения порошков металлов в смесях с воздухом, водой, диоксидом углерода / В.И. Малинин, С.Ю. Серебренников, А.М. Бербек // Пожаровзрывобезопасность. – 2010. – Т. 19. – № 4. – С. 12–17.

17. Карапетьянц, М.Х. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ / М.Х. Карапетьянц, М.Л. Карапетьянц. – М.: «Химия». 1968. – 470 с.

18. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика / М.Х. Карапетьянц. – М.: Химия. 1975. – 504с.

19. Промышленные тепловые электростанции: Учебник для вузов / Баженов М.И., Богородский А.С., Сазанов Б.В., Юренѐв В.Н.; под ред. Соколова А.С. 2-е изд., перераб. – М.: Энергия,1979. – 296 с.

20. Яковлев, Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения / Б.В. Яковлев // М.: Новости теплоснабжения. – 2008. – 448с.

21. Cernuschi, F. Thermo-physical properties of as deposited and aged thermal barrier coatings (TBC) for gas turbines:State-of-the art and advanced TBCs / F. Cernuschi [et al.] // Journal of the European Ceramic Society. – 2018. – Vol. 38. – Iss.11. – P. 3945–3961.

22. Gorunov, A.I. Complex refurbishment of titanium turbine blades by applying heat-resistant coatings by direct metal deposition / A.I. Gorunov // Engineering Failure Analysis. – 2018. – Vol. 86. – P. 115–130.

23. Кустов А.Д., Парфенов О.Г. Высокоскоростная металлургия алюминия / А.Д. Кустов, О.Г. Парфенов //Доклады академии наук. Химия. – 2015. – Т. 462. – № 5. – C. 555–557.