RU2842776C1 - Способ и устройство рудоуглеводородного энергоблока (РУВЭ) для производства энергии в автономном режиме или совместно с другими типами электростанций - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к области энергохимикометаллургического производства и может быть использована для выработки энергоносителей, электроэнергии и тепла, а также для переработки руды и углеводородного сырья. Представлен способ производства энергии с помощью рудоуглеводородного энергоблока (РУВЭ) в автономном режиме, который заключается в том, что плазмохимический нагрев шихты, куда входит кислород, углерод и водород, приводит к созданию водородного топлива, которое сжигается на электростанции в водородно-кислородной турбоустановке с парогенератором, сбрасывающей с паром тепловую энергию, нагревающую вещество окружающей среды, где вещество шихты переходит в газообразный и жидкофазный остатки, далее перерабатываемые на химическом и металлургическом производстве. Вместе с тем, согласно способу предусматривается совмещение энергетического, металлургического и химического оборудования в единый производственный комплекс, состоящий из связанных между собой участков, где переработка исходной шихты осуществляется за счёт энергии, вырабатываемой путём сжигания водорода в кислороде, извлекаемых из этой шихты. Более того, излишняя тепловая энергия с энергетического участка перенаправляется на металлургический и химический, а от этих участков снова на энергетический участок, позволяя в несколько раз больше переработать сырья и произвести энергии. Также представлено устройство рудоуглеводородного энергоблока, предназначенное для реализации заявленного способа. При этом решается задача повышения энергоэффективности работы оборудования за счет расширения его технических возможностей по разделению, восстановлению и синтезу химических веществ, что, в свою очередь, способствует снижению энергозатрат, сокращению производственного цикла за счет совмещения различных процессов, уменьшению габаритов оборудования, повышению скорости и экологичности производства. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 12 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области энергохимикометаллургического производства и может быть использовано для выработки энергоносителей, электроэнергии и тепла, а так же для переработки руды и углеводородного сырья, путем восстановления, рафинирования и сепарации с получением на выходе металлов и неметаллов.

[1] В качестве первого аналога предлагаемого изобретения принят способ, запатентованный в США (патент US4363832). Этот способ позволяет в форме (тигле) из продуктов реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза создавать металлическую трубу с покрытием на внутренней поверхности из оксидной керамики. Данный способ использует поле центробежных сил с ускорением, примерно, 69g.

[2] В качестве второго аналога предлагаемого изобретения принят способ руднотермической выплавки шлаков и восстановления металлов. Для разделения оксидов титана, железа и других примесных элементов, входящих в состав титановых концентратов, в широком промышленном масштабе используется восстановительная руднотермическая электроплавка этих концентратов, в результате которой большая часть оксидов железа восстанавливается до металла, а оксиды титана и часть примесных элементов переходят в шлак.

[3] В качестве третьего аналога предлагаемого изобретения принят способ карботермического восстановления металлов из оксидного сырья, плавильным плазмотроном. Это плазмотрон обратной полярности, где электрическая дуга замыкается на расплав металла, восстановленного из оксидного сырья.

[4] В качестве четвертого аналога принят способ плавления на обратной полярности, разработанный в ИЭС им. Е. О. Патона. Особенность способа заключается в том, что применяются два источника питания. Один источник питания – для непрерывного поддержания дежурной дуги, горящей между внутренним электродом, являющимся катодом и соплом плазмотрона, являющимся анодом, другой источник служит для питания основной дуги, горящей между анодом и переплавляемым металлом, являющимся катодом.

[5] В качестве пятого аналога изобретения принят жидкометаллический пиролиз для производства водорода, в частности газа метана в расплаве железа, который был предложен Д. Тайрером в 1931 году. Протекание пиролиза происходит при расходе газа 50 мл/мин, где выход по водороду составляет 78 %. Для получения водорода данным методом может применяться жидкий свинец или олово, при температуре 600 ÷ 900 ^oC с участием твёрдых частиц (SiC; Al₂O; NiMo/Al₂O₃). Пиролиз успешно протекает в жидком магнии при 700 ^oС, где конверсия метана достигает 30 %. [6] В Калифорнийском университете для жидкометаллического пиролиза в качестве катализатора наиболее успешно был применён сплав 27 % Ni и 73 % Bi, где никель работает катализатором, а висмут растворителем. Полученный катализатор в 50 раз эффективнее расплава свинца и в 5 раз платины и никеля.

[7] В качестве шестого аналога изобретения принята автотермическая конверсия природного газа для производства синтез-газа. В одном реакторе протекает сразу несколько реакций: паровая конверсия ; парциальное окисление кислородом ; углекислотная конверсия .

[8] В качестве седьмого аналога изобретения принята пароуглекислотная конверсия для производства метанола, где участвует смесь газов CH₄, H₂O, CO₂ в соотношении 1:3,3:0,24 превращаясь на никелевом катализаторе при 860° в синтез-газ, из которого синтезируется метанол.

[9] В качестве восьмого аналога изобретения принята водородная тепловая электростанция (ВТЭС), где для выработки электроэнергии используется сжигание водорода в оборотном паре на водородно-кислородной турбоустановке с парогенератором.

[10] В качестве девятого аналога изобретения принята атомная электрическая станция (АЭС), где используется тепловая энергия ядерных реакций.

[10] В качестве десятого аналога изобретения принята тепловая электростанция (ТЭС), где используется тепловая энергия от сжигания различного углеводородного топлива. Коэффициент полезного действия электростанций не превышает 32 %, которые загрязняют различными выбросами окружающую среду.

[11] В качестве одиннадцатого аналога изобретения принята плазменная печь для восстановления урана из оксидного сырья. Плазма расплавляет шихту до образования монооксида углерода, при энергозатратах в пределах 20 кВт⋅ч/кг, где в качестве восстановителя используется углерод и водород. Реакция восстановления металла ускоряется под действием электролиза.

[12] В качестве двенадцатого аналога изобретения принят процесс конверсии углекислого газа в расплавах металлов, где используется смесь галлия и фторида серебра. Диссоциация углекислого газа на углерод и кислород, достигает 92 %, при энергозатратах 230 кВт⋅ч /т.

[13] В качестве тринадцатого аналога принимается реакция Будуара позволяющая из монооксида углерода производить диоксид углерода и графит при заданной температуре по реакции 2CO → CO₂ + C. Данная реакция экзотермична при всех температурах и позволяет в различных производственных процессах уменьшать количество газовой фазы вещества.

[14] В качестве четырнадцатого аналога принята технология получения метанола из природного газа под действием лазерного излучения. Технология основана на фотохимических процессах, позволяющих на порядок снизить энергозатраты при активации метана молекулярным кислородом, за счёт гидроксильного радикала.

[15] В качестве пятнадцатого аналога или прототипа принят способ по патенту РФ №2524036, позволяющий разделять жидкую фазу металлов, где в тигель поступает руда. Шихта подогревается в окислительной или восстановительной атмосфере, при этом в расплаве протекают химические реакции и продукты реакций разделяются по плотностям, уходя из зоны реакции в разные стороны под действием центробежных сил вращения, а восстановленный металл кристаллизуется в слиток. Лёгкие примеси вытесняются на поверхность расплава, а для их удаления слиток переворачивают и сливают вместе с расплавом. Тяжёлые примеси уходят на периферию слитка, с которого в дальнейшем удаляются различными методами.

Предлагаемое изобретение решает задачи производства энергии с одновременным восстановлением, рафинированием и разделением металлов и неметаллов получаемых из смеси руды и углеводородов. Для решения задачи используются плазмохимические реакции, электролиз и крекинг, позволяющие при меньших затратах энергии разрушать атомно-молекулярные связи соединений. За счет этого из содержащегося в рудоуглеводородной смеси вещества, на выходе удается отделить летучие примеси и синтезировать метанол, а из оставшегося вещества сформировать твердый остаток в виде слитка, где металлы и неметаллы по его объему разделяются по плотностям. Для производства энергии используется полученный водород и кислород, которые сжигаются на турбине, производящей электроэнергию, где охлаждение конденсатора турбины обеспечивается потоком холодной воды предварительно отдающей излишки тепла реагентам шихты. Процесс переработки вещества и выработки энергии протекает в замкнутом объеме производственного контура без выбросов тепловой энергии в окружающую среду. Предлагаемый способ решает задачу снижения тепловых потерь при выработке энергии, а так же снижения энергозатрат, при восстановлении металлов и неметаллов из смеси руды и углеводородов. Снижение энергозатрат при восстановлении металлов происходит за счет дополнения электролизом реакций химического восстановления, а так же за счет использования фотохимических реакций, где исходное вещество под действием облучения электронов, ионов, фотонов и других элементарных частиц плазмы с меньшими энергозатратами распадается на более простые соединения. Энергоэффективное деление соединений происходит и за счет каталитических процессов, где в качестве катализаторов задействуется исходная шихта, состоящая из смеси руды и углеводородов, которые постоянно поступают в зону плавления и за счет этого постоянно обновляются. Параллельно протекаемые при этом металлургические процессы используют углеводороды в качестве восстановителей, которые распадаясь на углерод, угарный газ и водород производят восстановление металлов из соединений нагреваемой руды. Процесс производства энергии, энергоносителей, металлов и неметаллов протекающий одновременно, позволяет снизить, как минимум на порядок, потребление энергии, по сравнению с энергией необходимой на проведение этих процессов раздельно. Разнесенное в пространстве оборудование, где например электростанция, металлургический и химический завод, находятся друг от друга на расстоянии десятков и сотен километров, не позволяет использовать тепловую энергию, выделяемую на этих производствах, перенаправляя её друг другу. Например, при большом удалении электростанции от металлургического оборудования невозможно использовать вещество исходной металлургической шихты для охлаждения конденсатора турбины.

Для сохранения максимального количества энергии и предотвращения её потерь в окружающую среду процесс производства энергии, переработки руды и углеводородов осуществляется одновременно, на одном оборудовании, которое заключается в пространство контура, за который не сбрасывается какое либо тепло.

Предлагаемое изобретение так же решает задачу повышения энергоэффективности работы оборудования за счет расширения его технических возможностей по разделению, восстановлению и синтезу химических веществ. Это способствует снижению энергозатрат, сокращению производственного цикла за счет совмещения различных процессов, уменьшению габаритов оборудования, повышению скорости и экологичности производства.

Поставленные задачи достигаются тем, что способ производства энергии с помощью рудоуглеводородного энергоблока (РУВЭ) в автономном режиме заключается в том, что плазмохимический нагрев шихты, куда входит кислород, углерод и водород, приводит к созданию водородного топлива, которое сжигается на электростанции в водородно-кислородной турбоустановке с парогенератором сбрасывающей с паром тепловую энергию, нагревающую вещество окружающей среды, где вещество шихты переходит в газообразный и жидкофазный остаток, далее перерабатываемые на химическом и металлургическом производстве отличающийся тем, что решение проблемы осуществляется путем совмещения энергетического, металлургического и химического оборудования в единый производственный комплекс, состоящий из связанных между собой участков, где переработка исходной шихты осуществляется за счёт энергии, вырабатываемой путём сжигания водорода в кислороде, извлекаемых из этой шихты, при этом излишняя тепловая энергия с энергетического участка перенаправляется на металлургический и химический, а от этих участков снова на энергетический участок, позволяя в несколько раз больше переработать сырья и произвести энергии. В шихте, состоящей из смеси руды, углеводородов и воды, содержится кислород, углерод и водород в определенном соотношении, что позволяет из рудоуглеводородной шихты извлекать водородное топливо, которое сжигается в кислороде, так же произведённом из исходной шихты, где в камере сгорания турбоустановки, при сжигании присутствуют только два химических элемента, кислород и водород, поэтому энергия не расходуется на побочные химические реакции с третьими химическими элементами, что позволяет производить максимально возможное количество тепловой энергии, а пространство, где производится сжигание водорода, размещается вблизи пространства, где производится горение плазмы, за счёт вырабатываемой электроэнергии от сжигания водорода, в этом пространстве концентрируется максимально возможное количество различных химических соединений входящих в состав шихты, которые разделяются под действием высокой температуры, облучения плазмой, катализа и электролиза на составляющие с минимальными энергозатратами, при этом тепловая энергия выделяемая после плазмохимической обработки вещества передаётся оборотной воде, превращая её в пар, который поступает на турбину, а пар сбрасываемый с турбины передаёт тепло исходной шихте перед её плазменным нагревом. Энергоэффективное деление соединений вещества смеси шихты происходит за счет каталитических процессов, где в качестве катализаторов выступают различные химические элементы и их соединения входящие в состав исходной шихты, которые возобновляются за счет постоянного поступления в зону плавления, где одновременно протекают металлургические процессы восстановления различных металлов и неметаллов, под действием восстановителей углерода, угарного газа и водорода, выделяемых из состава шихты, при этом процесс производства металлов и неметаллов протекает одновременно с процессами производства энергии и энергоносителя, позволяя снизить в несколько раз потребление энергии, по сравнению с энергией необходимой на проведение этих процессов раздельно. Для сохранения максимального количества энергии и предотвращения её потерь в окружающую среду, процесс производства металлов, неметаллов, энергоносителя и энергии, осуществляется одновременно, на объединённом оборудовании, которое состоит из различных участков, металлургического, энергетического и химического входящих в пространство контура, за который не сбрасывается какое либо тепло, а обеспечение энергией всего процесса происходит за счет извлечения из шихты, водорода и кислорода, которые сжигаются, образуя пар вращающий генератор, вырабатывающий электроэнергию, для поддержания горения плазмы, где углекислый газ служит плазмообразующим газом, который при взаимодействии с шихтой распадается на углерод и кислород, где кислород снова используется при сжигании водорода, а углерод снова идет на восстановление металлов и неметаллов, далее образуя различные соединения из которых создаётся энергоноситель – метанол, где полная диссоциация углекислого газа в расплаве протекает с меньшими энергозатратами за счёт использования катализаторов, которые находятся в расплаве исходной шихты, а так же при их недостатке поступают дополнительно, подаваясь отдельно в зону плавления. Технологический процесс переработки шихты начинается с операции смешивания в определенном объёмном соотношении веществ руды, воды и углеводородов, где руда в основном содержит кислород, вода кислород и водород, а углеводороды в основном содержат в своём составе углерод и водород, для того, чтобы плазма, соприкасаясь с расплавом шихты и облучая различные соединения вещества находящегося в зоне горения, ускоряла протекание реакций по распаду этих соединений, с образованием газовой фазы отделяемой от исходного вещества шихты путем испарения с последующей сепарацией соединений с различной температурой кипения, а оставшаяся жидкая фаза вещества, могла быть сепарируемая центробежным конвертированием, в случае нехватки в исходной смеси шихты заданного количества водорода, в смесь добавляются дополнительные углеводороды, такие как торф, битум, мазут, парафин, горючий сланец и другие водородосодержащие вещества, с корректировкой объёма воды, а если в смеси недостаточное количество руды, содержащей кислород, в смесь добавляется песок, глина и другие минералы, а так же кислород содержащие шлаки от предшествующей плавки отходов, позволяя повторно вовлекать в плазмохимическую схему остатки тяжелых углеводородов и более стойких шлаков, при этом отдельные руды содержащие углеводороды, углерод и водород в своём составе в определённом объёме, будут заменять в том же объёме водород и углерод, который необходимо замешивать в шихту с углеводородами и водой. Преобразование реагентов начинается с взаимодействия смеси различных углеводородов и воды при нагреве в присутствии катализаторов, роль которых выполняют различные химические элементы входящие в состав исходной шихты, что приводит к образованию синтез-газа, из которого производится метанол, с выделением тепловой энергии, которая расходуется на нагрев оборотной воды, что позволяет возвращать тепловую энергию в процесс для выработки электроэнергии на турбине, а при синтезе метанола, в его состав поступает водород не только от распадающихся углеводородов, но и от воды, позволяя накапливать его в полтора раза больше, при этом параллельно протекает процесс паровой конверсии углерода находящегося в составе шихты, позволяя увеличить объём образуемого синтез-газа, где водорода при синтезе метанола становится в два раза больше, а на следующей стадии при паровой конверсии метанола происходит извлечение водорода из соединений метанола и снова воды, позволяя в итоге по сравнению с водородом, содержащимся в исходных углеводородах, увеличить количество извлекаемого для сжигания водорода в три раза и соответственно больше произвести энергии, при этом прирост выработки дополнительной энергии происходит, за счет применения операции плазменного облучения вещества исходной шихты, потоком элементарных частиц, где под действием излучения плазмы, возможно, реализовать фотохимическую паровую конверсию метана, производимого из алифатических углеводородов находящихся в шихте, где во время протекания реакции идёт не поглощение, а выделении энергии, что позволяет дополнительно вырабатывать определенный объем энергии, который может поставляться на Рынок или направляться на производство полезной работы внутри рудоуглеводородного энергоблока. Способ производства энергии с помощью РУВЭ производит чистую воду из реагентов шихты, где треть объема воды образуется из переработанной воды поступающей вместе с шихтой, а две трети образуются из кислорода, содержащегося в руде и водорода, содержащегося в углеводородах, что позволяет использовать рудоуглеводородный энергоблок в качестве очистного сооружения для загрязненной воды, которая сбрасывается из жилых и производственных объектов, а так же для очистки морской воды, включая её в состав исходной шихты, переработки токсичной и радиоактивной воды, которая при плазменной обработке, проходя через цепочку различных реакций на атомномолекулярном уровне разделяется на водород и кислород, в последствии снова образуя воду, которая полностью освобождается от вредных примесей. Используется объединенная схема с типовой электростанцией АЭС, где принципиальная схема РУВЭ совмещена со схемой АЭС, представляя единую схему, где в качестве охлаждающей среды для пара сбрасываемого с турбины используется перерабатываемая шихта, а источником парообразования служит не только атомный реактор и камера сгорания для сжигания водородно-кислородной смеси, а так же продукты плазмохимических реакций, металлургическое и химическое оборудование, за счет охлаждения которого нагревается и превращается в пар, оборотная вода, позволяя добиваться более высокого КПД и более стабильной и ровной работы совмещенной электростанции, где при снижении потребления энергии внешним потребителем, вся вырабатываемая энергия идет на производство метанола или другого энергоносителя (этанола, синтетического топлива, аммиака), в котором запасается энергия, а при повышении потребления энергии внешним потребителем к нему передаётся электроэнергия, вырабатываемая за счёт совмещенной схемы АЭС и РУВЭ, путём переработки и сжигания водородного топлива от запасенного метанола и воды, в качестве совмещённой с РУВЭ электростанции, используются электростанции, работающие на возобновляемых источниках энергии, такие как гидроэлектростанции (ГЭС), ветровые электростанции (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС), где РУВЭ полностью потребляет электроэнергию, поступающую с этих электростанций, перерабатывая её в энергоноситель, металлы и неметаллы, если данная энергия не требуется внешнему потребителю, а в случае, когда энергия требуется внешнему потребителю, начинает перерабатываться накопленный энергоноситель, вырабатывая необходимое количество электроэнергии, при этом продолжая восстанавливать металлы и неметаллы, в качестве совмещённой с РУВЭ электростанции используются тепловые электростанции на возобновляемых источниках энергии, такие как гидротермальные электростанции и солнечные, воздушные, земляные и водные коллекторы, которые извлекают тепло для его поставки потребителю, где объединённая схема, состоящая из двух энергоблоков, преобразует тепловую энергию с возобновляемых электростанций в энергоноситель, когда эта энергия не требуется, а когда энергия требуется, произведённый энергоноситель перерабатывается в тепло и электроэнергию, направляемые внешнему потребителю, при этом продолжая восстанавливать металлы и неметаллы, в качестве совмещённой с РУВЭ электростанции используется тепловая электростанция ТЭС, где ранее используемое топливо газ, уголь и мазут, включается в исходную шихту в качестве углеводородов, позволяя восстанавливать металлы и неметаллы и производить энергоноситель, включая производство технического углерода, который возможно использовать для изготовления электродов плазмотрона строительства, электроники и повторного использования на этих электростанциях в качестве реагента, что приводит к полной замене ТЭС, при выработке тепла и электроэнергии на рудоуглеводородный энергоблок, который позволяет в три-четыре раза больше вырабатывать энергии из углеводородного топлива.

Устройство производства энергии с помощью рудоулеводородного энергоблока (РУВЭ) содержит электростанцию, металлургический и химический участок, турбину, рудоуглеводородную шихту, плазменный реактор, аппарат синтеза метанола, источник питания, катод, анод, электроды, шахты, гарнисаж, электролизёр, синтез-газ, углеводороды: вода, углерод, шлаки, шихта, метанол, угарный газ; оборотную воду, пар, камеру сгорания, тигель, генератор, плазмотрон, плазму, конденсатор, теплообменники, насос, канал, ванну расплава, патрубки, сепаратор, реактор паровой конверсии метанола, трубопроводы, выпрямитель, замкнутый контур для сохранения энергии отличающееся тем, что смесь шихты состоящей из руды, воды и углеводородов нагревается паром сбрасываемым с турбины, который получен в камере сгорания, где нагревается оборотный пар за счёт сжигания водорода в кислороде, которые извлекаются из рудоуглеводородной шихты в ходе циклических реакций, а тепло, вырабатываемое на участках плазменного плавления и синтеза метанола, передаётся оборотной воде, образующей пар, который идет в камеру сгорания, при этом вырабатываемая электроэнергия, поддерживает горение дуги на плазмотроне, а углекислый газ, проходя через дугу, формирует плазму, расплавляющую исходную шихту, образуя расплав, в котором углекислый газ, в присутствии катализаторов за счёт электролиза и облучения диссоциирует на углерод и кислород, при этом углерод восстанавливает металлы и неметаллы, которые сливаются во вращающуюся турбину, где разделяются в объеме слитка по плотностям, а газовая фаза от расплава вещества отделяется путем испарения и далее сепарируется на составляющие соединения, путем конденсации. Разделение образуемых продуктов после плазмы происходит в сепараторе, где отделяемый синтез-газ сразу поступает в аппарат синтеза метанола на синтез метанола, выступающего энергоносителем, который для выработки энергии поступает в процессор, где смешиваясь с частью пара выходящего с турбины, в результате паровой конверсии метанола образует водород, который идет на сжигание в камеру сгорания, а образуемый углекислый газ идет на образование плазмы, где проходя через ванну расплава диссоциирует на углерод и кислород, который снова поступает на сжигание в камеру сгорания, при этом две трети части объема воды, полученной при конденсации после турбины, направляется во вне, а одна треть объёма воды идет на охлаждение плазменного реактора, аппарата метанола и продуктов реакций образуя пар, который поступает в камеру сгорания, где сжигается водород и кислород, образуя высокотемпературный пар вращающий турбину и генератор, вырабатывая электроэнергию, которая с выпрямителя поступает на плазмотрон, обеспечивая горение плазмы, для снижения тепловых потерь, метанол перед паровой конверсией нагревается теплом пара сбрасываемого с турбины, проходя через теплообменник, при этом рудоуглеводородный энергоблок размещается в замкнутом пространстве контура, за границу которого всё вещество входит и выходит при температуре окружающей среды. Проведение электролиза в расплаве шихты осуществляется за счет погружения в ванну расплава плазмотрона, выполняющего роль анода, при этом ванна расплава выполняет роль катода, к которой отрицательный заряд подводится через тигель от источника питания, где на дно ванны опускаются расплавы тяжелых металлов, выше их скапливаются более легкие металлы, а на поверхность ванны вытесняются наиболее стойкие шлаки, где электролиз осуществляется одновременно с процессом восстановления металлов под действием различных восстановителей, при этом ванна расплава окружена гарнисажем, в котором протекают предварительные реакции восстановления, являясь предварительной зоной нагрева, постоянно пополняясь веществом шихты, поступающей по центральной шахте, которая размещается внутри внешней шахты, где между шахтами образуется кольцевое пространство, через которое выходит поток синтез-газа, образованный в ходе каталитической паровой конверсии метана и углерода, который по кольцевому пространству уходит на сепарацию и далее на синтез в аппарат метанола, а вокруг плазмотрона, работающего анодом, формируется зона выделения газов, где в газовой смеси присутствует в основном кислород, образуемый в результате распада соединений расплава руды и углекислого газа, образуемый газово-кислородный поток, поднимаясь откачивается через верхний патрубок, при этом тигель, являясь катодом по своей границе с ванной расплава в ходе реакций и электролиза образует газово-водородный поток, который поднимаясь, захватывается отбойником, отделяющим его от газово-кислородного потока, который откачивается через нижний патрубок и идёт на разделение в сепараторе, а далее произведённый водород и угарный газ идут на синтез метанола, водород, который снова выделяется во время паровой конверсии метанола, поступает на сжигание в камеру сгорания, куда так же поступает кислород после отделения от других газов в сепараторе, для обеспечения процесса дополнительным водородным топливом и кислородом, реагенты содержащие водород, кислород и углерод, в составе более стойкой руды, углеводородов, воды, угарного и углекислого, и других газов, включая природный газ и метан, а так же твёрдых и жидких соединений, повторно через отдельный трубопровод поступают на преобразование в зону предварительного нагрева и далее в зону плавления. Во вращающейся турбине после слива порции расплава формируется кольцевой слиток, где послойно разделяются восстановленные металлы, такие, например, как медь, железо, алюминий или олово, при этом на внешнем контуре сосредотачиваются наиболее тяжелые металлы, имеющие наибольшую плотность, такие как золото, платина, серебро, вольфрам, молибден и другие, за ними идёт слой меди, относительно более легкой по плотности, а далее слой ещё менее плотного железа, в котором будут растворены родственные металлы типа никеля, хрома и кобальта, далее ближе к центру формируется слой наименее плотного алюминия, включающий родственные металлы, такие как скандий, титан и магний, при этом металлы, принадлежащие к группе железа, меди и алюминия в условиях центробежного конвертирования не сплавляются между собой. РУВЭ заменяет в качестве электростанции тепловые электростанции, где прямое сжигание углеводородного топлива в кислороде воздуха заменяется сжиганием водорода в кислороде, получаемых из компонентов шихты, при этом на первой стадии из шихты выделяется синтез-газ и восстанавливаются металлы, на второй стадии из реагентов синтезируется энергоноситель и на третьей стадии из энергоносителя извлекается водород, который используется в качестве топлива, РУВЭ объединяется для выработки электроэнергии с энергоблоком АЭС, где в качестве охлаждающей среды для конденсатора турбины используется шихта, при этом источником пара для вращения турбины служит не только атомный реактор и камера сгорания для сжигания водородно-кислородной смеси, а так же тепло от продуктов реакций металлургического и химического оборудования, где при отсутствии потребления электроэнергии потребителем, вся вырабатываемая энергия идет на производство метанола или другого энергоносителя (этанола, синтетического топлива, аммиака), в котором запасается энергия, а при возобновлении энергопотребления, электроэнергия вырабатывается за счёт запасенного метанола, где побочным эффектом выработки энергии на совмещённом энергоблоке, является производство различных продуктов в виде металлов и неметаллов. Для извлечения синтез-газа используется плазмотрон, нагревающий исходную шихту с образованием ванны расплава, где ванна расплава окружена гарнисажем, который постоянно пополняется веществом исходной шихты и веществом реагентов, образующихся после плавления исходной шихты, которые через патрубок поступают повторно в зону плазменного нагрева, где шихта поступает по центральной шахте, размещённой внутри внешней шахты, образуя кольцевое пространство, при этом в центральной шахте имеются отверстия, через которые выходит поток синтез-газа, образованный в ходе каталитической паровой конверсии метана и углерода, который по кольцевому пространству уходит в аппарат синтеза метанола, а вокруг плазмотрона, работающего анодом, формируется зона выделения газов, где в основном составе присутствует кислород, образуемый в результате распада соединений расплава шихты и углекислого газа, создавая газово-кислородный поток, который поступает в сепаратор для отделения кислорода, направляемого в накопитель, откуда кислород идёт на сжигание водорода в камеру сгорания, а на границе тигля образуется газово-водородный поток, который поднимаясь захватывается отбойником, отделяющим его от газово-кислородного потока, поступает в сепаратор для отделения водорода, направляемого для синтеза метанола.

Предложенный способ выработки энергии с одновременным производством металлов и неметаллов реализует устройство рудоуглеводородного энергоблока (РУВЭ), представленное на фиг.1, где изображена его принципиальная схема. Энергоблок предназначен для переработки смеси руды и углеводородов с использованием энергии, полученной от сжигания водорода в кислороде, которые извлекаются из рудоуглеводородной шихты. Тепловая энергия, сбрасываемая с турбины в виде пара, передается рудоуглеводородной шихте. Тепло, вырабатываемое на участках плавления и синтеза метанола, передаётся оборотной воде, образующей пар, который идет в камеру сгорания и далее на вращение турбины. Пар в камере сгорания подогревается за счет сжигания водорода и кислорода, полученных из реагентов шихты. Образующийся в камере сгорания высокотемпературный водяной пар, вращая турбину и генератор, вырабатывает электроэнергию, поддерживающую горение дуги на плазмотроне. Углекислый газ, проходя через дугу, формирует плазму, расплавляющую исходную шихту, в которой углекислый газ диссоциирует в присутствии катализаторов на углерод и кислород. Процесс разделения молекулы углекислого газа на углерод и кислород усиливается за счет электролиза, воздействия высоких температур, облучения плазмой и перемешивания газа внутри ванны расплава. Таким образом, турбина 1, сбрасывая оборотный пар, нагревает шихту 2, поступающую на входе в энергоблок. Шихта, состоящая из смеси руды и углеводородов работает в качестве вещества охлаждающего воду, которая в свою очередь охлаждает выходящий из турбины пар, конденсируя его и создавая поток оборотной воды. На обычных паровых турбинах охлаждение пара обеспечивается за счет воды, которая получив тепло, сбрасывает его в атмосферу. В результате такой схемы работы на тепловых и атомных электростанциях потери энергии в атмосферу достигают более 70 %. В предлагаемом изобретении пар охлаждается, поступая в конденсатор 3 за счет сброса тепла в накопительную емкость 4, куда тепло поступает за счет теплообменника 5, в котором циркулирует отдельный поток воды под действием насоса 6. Циркулирующий поток воды охлаждает пар и передает тепло шихте поступающей на переплав, тем самым предотвращая потерю тепловой энергии в атмосферу. Подогретая шихта через горизонтальную шахту 7 поступает в плазменный реактор 8, где плазмотрон 9 образует ванну расплава 10. Во время плавления образующиеся газы удаляются через патрубок 11, а оставшийся расплав через нижний патрубок 12.

Для более простого представления в схеме не показаны все устройства, отвечающие за выделение и разделение различных по химическому составу веществ. Разделение всех продуктов происходит в условном сепараторе 13, где отделяемый синтез-газ сразу поступает в аппарат метанола 14. Синтезированный метанол поступает в процессор 15 на паровую конверсию, смешиваясь с частью пара выходящего с турбины и поступающего по 1-му трубопроводу 16 в процессор. В результате паровой конверсии метанола образуется водород, который идет на сжигание по 2-му трубопроводу 17. Вместе с водородом образуется углекислый газ, который идет на образование плазмы по 3-му трубопроводу 18, где проходя через ванну расплава диссоциирует на углерод и кислород. Произведенный в результате паровой конверсии метанола водород, одновременно с кислородом, поступающим по 4-му трубопроводу 19, полученным при диссоциации углекислого газа и восстановлении металлов, идут на сжигание в камеру сгорания 20. Часть объема воды, полученная при сгорании водорода в кислороде, направляется по 5-му трубопроводу 21 во вне. Второй поток воды по 6-му трубопроводу 22 идет на охлаждение плазменного реактора 8 и далее по 7-му трубопроводу 23 на охлаждение аппарата метанола 14. Третий поток воды по 8-му трубопроводу 24 через теплообменник 25 охлаждает продукты реакций, выходящие из сепаратора, образуя нагретый пар. Потоки пара объединяются и по 9-му трубопроводу 26 поступают в камеру сгорания 20, где сжигается водород и кислород. Высокотемпературный пар из камеры сгорания поступает на турбину 1, вращая генератор 27 и вырабатывая электроэнергию, которая с выпрямителя 28 поступает на плазмотрон, обеспечивая горение плазмы. Рудоуглеводородный энергоблок размещается в замкнутом пространстве контура 29, за границу которого всё вещество входит и выходит при температуре окружающей среды. Для снижения тепловых потерь, метанол при поступлении в реактор паровой конверсии метанола, двигается по 10-му трубопроводу 30 в теплообменник 31, где нагревается теплом сбрасываемого с турбины пара, который далее двигается по 11-му трубопроводу 32. Этот поток пара сбрасываемый с турбины имеет массу 2/3 от общего потока, где 1/3 массы пара идет на паровую конверсию метанола. Таким образом, метанол, забирая часть тепла пара, нагревается до температуры примерно 250 ^oC, которая достаточна для паровой конверсии и далее поступает в реактор 15 по 12-му трубопроводу 33, где осуществляется реакция. За счет использования энергии тепла, сбрасываемого с пароводородной турбины, на проведение реакции паровой конверсии метанола не требуется использования дополнительной энергии. На сегодня основная проблема всех тепловых электростанций это утилизация низкопотенциального тепла, которое сбрасывается в окружающую среду.

При использовании схемы рудоуглеводородного энергоблока для переработки шихты появляется возможность более полного использования тепловой энергии, которая обычно на электростанциях, металлургических и химических заводах сбрасывается в атмосферу. На тепловых электростанциях (ТЭЦ) тепловая энергия используется для обогрева бытовых и промышленных объектов, что повышает КПД работы электростанции. При этом, в любом случае идёт потеря тепловой энергии в окружающую среду, так как обогреваемые объекты находятся на удалении от электростанции. В случае использования тепла для паровой конверсии метанола непосредственно на пароводороной турбоустановке его потери стремятся к нулю, следовательно, КПД использования тепла становится максимально возможным.

Обеспечение энергией РУВЭ происходит за счет извлечения из шихты водорода и кислорода, которые сжигаются, образуя пар вращающий лопасти турбины и генератор, вырабатывающий электроэнергию. Путем паровой конверсии метанола производится водород с образованием углекислого газа, который идет на образование плазмы, где распадается на углерод и кислород, который в свою очередь, далее идет на сжигание водорода. Плазма, соприкасаясь с расплавом шихты, облучает различные соединения вещества находящегося в зоне горения, что позволяет значительно ускорить протекание реакций по распаду этих соединений. В итоге, образованный расплав из новых более легких соединений и восстановленных металлов, сливается во вращающуюся турбину, где его состав разделяется в объеме слитка по плотностям. Таким образом, газовая фаза отделяется от исходного вещества шихты путем испарения и далее сепарируется на отдельных участках путем конденсации соединений с различной температурой кипения, а твердая фаза сепарируется центробежным конвертированием, формируя слиток, где по его сечению послойно разделяются вещества, в зависимости от их плотности.

Принципиальная схема работы устройства на металлургическом участке плавления шихты изображена на фиг. 2. Устройство включает плазмотрон, состоящий из трубчатого анода 1 и стержневого катода 2. На торце плазмотрона горит дуга 3, выдуваемая плазмообразующим углекислым газом. В камеру плавления 4 по вертикальным шахтам 5 и по горизонтальным шахтам 6 подается смесь руды и углеводородов, то есть шихта 7 движется под давлением обратно поступательного перемещения поршней 8 или под действием вращения шнеков. Под действием дугового нагрева образуется ванна расплава 9, над которой испаряются газовые примеси 10, удаляясь вакуумным насосом.

[16] Расплав удерживается охлаждаемой задвижкой 11, при открытии которой сливается во вращающуюся турбину 12. Устройство плавления от атмосферы защищено верхней камерой 13, а турбина и механизмы перемещения нижней камерой 14. Для сжатия дуги применяется электромагнитное поле, создаваемое нижним соленоидом 15 и верхним соленоидом 16. Источник питания плазмотрона 17 подключен к аноду и катоду плазмотрона, а источник питания 18 подключён отрицательной клеммой к ванне расплава, а положительной клеммой к аноду плазмотрона за счет переключателя 19.

На фиг. 3 показана циклическая последовательность плавления шихты, где на фиг. 3а образуется ванна расплава 1, разогреваемая дугой через которую пропускается углекислый газ, образуя факел плазмы 2. Плазма сверху расплавляет шихту 3, образуя под ванной переходную зону нагрева 4, где выделяются газообразные вещества 5, удаляемые вакуумным насосом. Плазма может разогревать ванну расплава до температуры 2000^oC и более. В переходной зоне при температуре ниже 700^oC водород и угарный газ выступают основными восстановителями металлов. При температуре более 700^oC в переходной зоне и непосредственно в самой ванне расплава, основным восстановителем металлов становится углерод. Ещё большими восстановительными способностями обладает электролиз, который позволяет восстанавливать из соединений находящихся в расплаве, практически все металлы.

На фиг. 3b осуществляется проведение электролиза за счет погружения в ванну расплава плазмотрона, выполняющего роль анода, при этом ванна исполняет роль катода. На дно ванны опускаются расплавы тяжелых металлов 6, выше их скапливаются более легкие металлы 7, а на поверхность ванны вытесняются наиболее стойкие шлаки 8. Весь процесс восстановления металлов происходит под действием различных восстановителей и на заключительной стадии плавления усиливается за счет проведения электролиза.

Поток расплава, сливаясь, образует струю 9 при открытии задвижки 10, которая поступает во вращающуюся турбину 11. Смесь вещества и плазмы 12 сжимается электромагнитым полем 13 соленоидов, облучая сливаемое вещество расплава потоком элементарных частиц, которые интенсивно разрушают межатомномолекулярные связи соединений.

На фиг. 3c показан период завершения цикла, когда плазмотрон отводится вверх в исходное положение, задвижка возвращается назад, а в турбине под действием повышенной гравитации образуется слиток, где на его периферии скапливаются тяжелые металлы 14, в средней части легкие металлы 15 и ближе к центру вращения легкие вещества 16, один из которых углерод.

Для повышения энергоэффективности процесса вращение и охлаждение турбины происходит под действием газовой или водяной струи, состоящей из смеси капель воды, пара и метана, что позволяет при нагреве этой смеси производить дополнительный объем синтез газа. В связи с тем, что это каталитическая реакция, лопатки 19 турбины, через которые производится её вращение, покрываются слоем катализатора. В итоге тепло, выделяемое поверхностью турбины, поглощается реакцией CH₄ + H₂O → CO + 3H₂, с образованием синтез-газа, который идет на производство метанола. Одновременно внутрь турбины подаётся струя пара, которая взаимодействуя с углеродом находящимся в слое 16, образует синтез-газ по реакции H₂O + C → CO + H₂, который так же поступает на синтез метанола. В ходе охлаждения турбины метаном и паром, идёт поглощение тепловой энергии с его переводом в энергоноситель, который может хранить энергию неограниченное время.

[17] При обжатии электромагнитным полем потока плазмы и струи веществ, температура в расплаве значительно повышается. Высокий нагрев расплава способствует разрыву межатомномолекулярных связей различных соединений входящих в его состав. Далее, преобразованный по своей внутренней структуре, расплав, попадая на плоскость вращающейся турбины, начинает быстро расширяться и терять температуру, при этом между отдельными химическими элементами не успевают возникать новые связи, что способствует разделению вещества по различному химическому составу за счет разности в плотности.

[18] Аналогично предлагаемому способу облучение вещества применяется в процессе получения метанола. В этом процессе лазером облучается природный газ, запуская фотохимические процессы, которые позволяют снизить на порядок энергозатраты при производстве метанола, по сравнению с обычными схемами его производства. Как известно, облучение элементарными частицами вызывает ионизацию любой среды, что приводит к изменению структуры и свойств вещества, где связи обрываются с меньшими энергозатратами, образуя облегчённые молекулы.

При обычном сжигании углеводородов, например на металлургических заводах, температура нагрева реагентов шихты не превышает 1800 ^oC, при этом в результате обычного химического горения не образуется поток облучения из элементарных частиц, что не способствует интенсивному разделению связей в соединениях. Но главное в процессе сжигания не используется электролиз, позволяющий восстанавливать практически все металлы.

Технологический процесс переработки шихты начинается с операции смешивания руды содержащей в основном кислород и углеводородов, содержащих в основном углерод и водород. Если, например, в образуемой смеси исходной шихты недостаточное количество водорода, в смесь добавляются дополнительные углеводороды, такие как торф, битум, мазут, парафин, горючий сланец и другие водородосодержащие вещества. Если в смеси недостаточное количество руды, содержащей кислород, в смесь добавляется песок, глина и другие минералы, а так же шлаки от предшествующей плавки отходов.

В процессе подготовки шихты, из которой во время плазмохимического и электролитического процесса выделяется необходимый объем кислорода и водорода, необходимо учитывать химический состав руды. В отдельных видах минералов, входящих в состав руды, находится достаточно большой объем углерода и водорода, который при выделении может заменить значительный объём традиционных углеводородов, таких как уголь, нефть и газ.

[19] Как известно, в среднем общая масса водорода в осадочных породах составляет 0,48 %, это достаточно большая величина. В кристаллических (коренных) породах в литосфере, которых больше в 8,4 раза по сравнению с осадочными породами, водорода содержится 0,12 %. Следовательно в усреднённой массе осадочных и коренных пород, содержание водорода составляет 0,18 %. Поэтому, необходимо учитывать массу водорода содержащуюся в руде, который будет выделятся во время протекания плазмохимического и электролитического процесса на РУВЭ. Улавливая водород выделяющийся из состава руды и направляя его на сжигание, для производства энергии, формируется схема процесса, позволяющая рассматривать руду в качестве энергоносителя, наравне с традиционными углеводородными видами топлива, такими, как уголь, нефть и газ. Используя данные исследований в области геохимии, при переработке руды на РУВЭ, минимальное количество водорода будет выделятся из коренных пород 0,12 %, из смеси коренных и осадочных пород 0,18 %, из осадочных 0,48 %, а при использовании техногенных и “водяных” руд количество выделяемого водорода будет значительно большим. Например, в типичных “водных” минералах содержание водорода колеблется уже от 0,22 до 3,85 %, где максимальный показатель намного превышает содержание водорода в осадочных породах. [20; 21; 22; 23; 24] Если брать в качестве руды обычные городские почвы, то содержание водорода в них составляет 1,5 %. [25] При использовании глиняной руды содержание водорода может достигать 9 %.

В этой связи, при подготовке шихты, куда замешивается руда и углеводороды, необходимо учитывать массу водорода находящегося в руде. При высоком содержании водорода в составе руды, будет снижаться масса углеводородов замешиваемых в шихту, что позволит повысить энергоэффективность процесса. Поэтому при переработке шихты состоящей из большей части руды и меньшей части содержащей традиционные углеводороды, будут снижаться общие затраты на производство водородного топлива используемого на РУВЭ. Процесс извлечения водородного топлива на РУВЭ условно можно сравнить с извлечением водорода при взаимодействии минералов и воды в процессе литогенеза.

На фиг. 2 и фиг. 3 показано, что подача исходной шихты в зону плавления производится сразу по нескольким шахтам, которых может быть две и более. При подаче шихты по нескольким шахтам происходит более равномерное выравнивание химического состава вещества шихты в зоне плавления, где происходит перемешивание составов за счет поступления шихты с различным химическим составом по каждой шахте. Диаметр шахты для перемещения шихты подбирается большим по площади, относительно хранилища транспортного средства, которое доставляет смесь руды и углеводородов на переработку. Для беспрепятственного перемещения шихты диаметр шахты может быть около одного ÷ двух метров, куда без сопротивления можно подавать любого вида шихту. За счет повторного вовлечения в плазмохимическую схему остатков тяжелых углеводородов и более стойких шлаков появляется возможность переработки практически всех химических соединений, входящих в исходное сырье.

Во вращающейся турбине после слива порции расплава формируется кольцевой слиток, где послойно разделяются восстановленные из руды и углеводородов металлы, такие, например, как медь, железо, алюминий или олово. На внешнем контуре слитка будут сосредотачиваться наиболее тяжелые металлы, имеющие наибольшую плотность, такие как золото, платина, серебро, вольфрам, молибден и другие тяжелые металлы. За ними пойдет слой меди, относительно более легкой по плотности, а далее слой ещё менее плотного железа, в котором будут растворены родственные металлы типа никеля, хрома и кобальта. Далее ближе к центру сформируется слой наименее плотного алюминия, включающий родственные металлы, такие как скандий, титан и магний. Металлы, принадлежащие к группе железа, меди и алюминия в условиях центробежного конвертирования не сплавляются между собой.

На внутреннюю поверхность кольцевого слитка будут вытеснены вещества, содержащие более стойкие оксиды, типа оксида алюминия, магния, кальция и далее наиболее легкие твёрдые примеси, такие как оксид кремния, кремний и углерод. После извлечения слитка дальнейшее разделение полученных веществ производится известными промышленными способами, которые включают электролиз, дробление, сепарацию, плавление и другие способы.

Энергоэффективность пароводородного процесса в реализации работы рудоуглеводородного энергоблока показана далее, которая связана с тем, что при сжигании углеводородного топлива не удается произвести всю тепловую энергию, которая могла быть получена при сжигании по отдельности углерода и водорода, содержащихся в этом соединении. Использование воздуха, например на ТЭС, взятого из атмосферы для окисления углеводородов, так же приводит к дополнительным потерям тепла. Кислород, находящийся в воздухе, забирает на себя тепло, которое могло быть затрачено на полезную работу. Вместе с кислородом в топку поступает азот, который работает балластным веществом, забирая на себя тепло, а после сгорания нагретый, примерно до 300 ^oC, газ сбрасывается в атмосферу, унося с собой дополнительную часть полезного тепла.

[26] На тепловых электростанциях потери энергии от использования воздуха составляют от 9,5% до 14%, не считая потерь энергии, которая не выделяется при сгорании по отдельности водорода и углерода, входящих в состав топлива. [27, 28] Так например, удельная теплота сгорания природного газа составляет 45 МДж/кг, а при сгорании водорода и углерода по отдельности составляет 59 МДж/кг. С увеличением молекулярной массы углеводородов и количеством других химических элементов, входящих в составе горючего, его теплотворная способность снижается.

[29-39] Теплотворная способность топлива уменьшается с увеличением доли углерода в его соединениях, так например, у этилена она меньше на 4,2%, чем у метана. Соответственно, у пропана меньше на 5,1%, бутана на 6,8%, нефти на 18,2%, мазута на 21,8%, антрацита на 38,1%, метанола на 54,7%, бурого угля на 70,1%, пиролизного газа на 76,1% и у торфа на 83,8%. При этом необходимо учесть, что снижение теплотворной способности связано не только с увеличением содержания углерода, а особенно связанно с увеличением количества других химических элементов, помимо углерода и водорода, входящих в состав этого топлива.

Если устранить потери в топке и сжигать по отдельности водород и углерод, то например, из мазута, возможно, на 21,1% больше извлекать энергии, а из бурого угля на 26,04%. Особенно эффективны в плане выработки энергии по новой схеме такие углеводороды, как торф и пиролизный газ. При использовании торфа извлечение энергии может быть больше на 250%, а пиролизного газа – на 700%.

В таблице 1 (фиг.4) продемонстрированы сравнительные характеристики топлива, где показана его теплотворная способность и теплотворная способность при сжигании горючих химических элементов по отдельности, входящих в это топливо.

[40] В работе Уральских исследователей было установлено, что пиролизный газ обладает существенно большей теплотворной способностью, по сравнению с природным газом и уступает только теплоте сгорания водорода. Номинальный состав пиролизного газа включает 39 % – CH₄; 24 % – C_nH_m; 20 % – H₂; 14,5 % – CO; 2,5 % – CO₂, где его теплотворная способность при сжигании составляет всего 10 МДж/кг. [40] Сжигая по отдельности входящие в его состав водород, углерод и угарный газ теплотворная способность достигает 79,9 МДж/кг. Поэтому, если на сегодня, производится сжигание пиролизного газа, например на мусоросжигательном заводе, то соответственно предприятие получает в 8 раз меньше энергии.

На современных ТЭС для наиболее энергоэффективного сжигания применяют природный газ, который не имеет примесей, то есть метан. При этом, учитывая вышесказанное, необходимо стремится к такому процессу, где из всех имеющихся углеводородов, включая метан, необходимо извлекать для сжигания водород, который имеет наибольшую теплотворную способность. Сжигать, получаемый при этом углерод неэффективно, в плане его низкой теплотворной способности и технологичности, так как углерод имеет твердофазное состояние. Углерод представляет большую ценность в качестве строительного материала или как связующий химический элемент, который может в компактном виде удерживать вокруг себя атомы водорода и кислорода, образуя жидкость.

[29-39] Водород при сжигании, по сравнению с углеродом, выделяет, примерно, в четыре раза больше энергии, при этом его подача в камеру сгорания не связана с большими трудностями, которые возникают с углем. Водородные паровые энергоустановки не используют топки, а используют камеры сгорания, находящиеся непосредственно у турбины, это устраняет тепловые потери и приводит к минимизации конструкции энергоустановки. Пароводородные энергоустановки, примерно, на два порядка по объему меньше обычных паровых энергоустановок. Поэтому, работа рудоуглеводородного энергоблока становится более технологичной, позволяя утилизировать все выделяемые газы и перераспределять тепловую энергию между различными участками энергоблока.

Энергоблок, извлекая из состава шихты кислород и водород, которые при сжигании обеспечивают его энергией, качественно меняет подход к имеющимся на Земле запасам топлива. Используя энергоблок появляется возможность, извлекать кислород и водород из веществ, которые ранее для этого не применялись. Это относится и к углероду, который возможно будет извлекать не только из традиционных залежей угля, газа и нефти, но и из различных минералов. [41] Как известно, углерода в коренных и осадочных породах, где он рассеян по всему объёму содержится в тысячу раз больше, чем во всех разведанных месторождениях угля, газа и нефти. Извлекаемый в ходе переработки шихты углерод, необходим для поддержания процесса в РУВЭ, где он используется в качестве связующего химического элемента, удерживающего вокруг себя в жидком соединении кислород и водород, а так же для энергоэффективного проведения химических реакций, при извлечении из шихты кислорода, водорода и других химических соединений, включая воду.

На сегодня, основной проблемой тепловых электростанций являются газовые и тепловые выбросы, влияющие на экологию, поэтому во всем мире идет поиск технических решений по их снижению. В Западных странах предпринимаются попытки использовать образуемый углекислый газ в качестве реагента для производства метанола.

[42] Для этого итальянские ученые разработали технологию утилизации в метанол углекислого газа, полученного при сжигании из бытовых отходов. Произведенный из отходов углекислый газ, вначале идет на анаэробное сбраживание в водный раствор с водорослями, в результате которого производится биогаз, состоящий из смеси метана и остатков углекислого газа. Применяя различные мембранные технологии, смесь разделяется на метан и углекислый газ, который снова направляют на анаэробное сбраживание. Произведенный метан направляется на паровую конверсию для производства водорода, который далее вступает в реакцию с углекислым газом, в результате которой синтезируется метанол и вода. В результате исследований выяснилось, что для проведения этих реакции требуется значительная энергия. Предложенный итальянцами процесс, не способен удовлетворить потребность в энергии для протекания высокотемпературных эндотермических реакций за счет выделяемого тепла при сжигании отходов и требует дополнительного топлива, например, природного газа.

[43] Немецкие разработчики оценили целесообразность производства метанола на мусоросжигательных заводах с использованием производимой энергии, полученной за счет сжигания отходов, где так же ставилась задача утилизации углекислого газа. Для этого дымовые газы, производимые при сжигании отходов, подавались в карбонатор для поглощения углекислого газа по реакции . В кальцинаторе, куда поступал карбонат кальция, при температуре 900 ^oC, протекала реакция обратного выделения углекислого газа. Нагрев карбонатора производится за счет сжигания углеводородного топлива с использованием кислорода, получаемого в электролизёре. Далее оксид кальция возвращался в карбонатор, замыкая цикл улавливания и выделения углекислого газа. В предложенной схеме, водород производился путем электролиза воды, который использовался для синтеза метанола, взаимодействуя с углекислым газом по реакции .

Основной концепцией разработки этих процессов является решение задачи по долгосрочному и эффективному хранению энергии. Западные коллективы пришли к выводу, что наиболее эффективно хранить энергию в виде метанола. Для создания энергоносителя в виде метанола была использована энергия, производимая за счет сжигания бытовых отходов, которой было недостаточно, поэтому её нехватка дополнялась за счет сжигания природного газа или использования возобновляемых источников. Таким образом, своими изысканиями европейские ученые подтвердили актуальность проблемы долгосрочного хранения энергии, которая решается за счет утилизации углекислого газа, путем перевода его в метанол, используемый в качестве энергоносителя.

Предлагаемые европейскими учеными решения имеют большие недостатки, так например, по сравнению с рудоуглеводородным энергоблоком итальянская схема не использует возможность извлечения метана, непосредственно из углеводородов, находящихся в исходной шихте. Это приводит к значительному снижению энергоэффективности процесса и дополнительным экономическим затратам, так как приходится строить отдельный водорослевый биореактор. Немецкая схема, так же не использует возможность извлечения водорода непосредственно из исходной шихты, где присутствуют углеводороды, минералы и вода, являющиеся исходным сырьём для производства водорода, что так же приводит к снижению энергоэффективности и дополнительным затратам, связанным со строительством отдельного электролизера.

Рудоуглеводородный энергоблок использует плазмотрон и ванну расплава в качестве электролизера, который одновременно производит плавление отходов и разложение руды, углеводородов, воды и углекислого газа на составляющие. Мировая тенденция развития электролизеров, где изначально планировалось получать водород из чистой воды, показывает, что для снижения энергозатрат при производстве водорода, к воде необходимо добавлять различные реагенты, выполняющие роль катализаторов и проводить электролиз при нагреве. Это позволяет сделать вывод о том, что совершенствование электролизеров двигается в сторону создания подобного рудоуглеводородного энергоблока, где электролиз воды будет производиться в составе катализаторов при высокой температуре.

[44] Так например, атмосферные щелочные электролизёры (ААЕ), при производстве водорода, имеют энергопотребление 4,8 кВт⋅ч/Нм³ водорода, а высокотемпературные электролизёры (HTE), уже 3,6 кВт⋅ч/Нм³ водорода.

При пересчёте на один кг водорода, в первом случае необходимо электролизёру затратить 53,5 кВт⋅ч энергии, а во втором 40,1 кВт⋅ч. Принимая теоретически, что при сжигании одного кг водорода выделяется, примерно 38 кВт⋅ч энергии, можно сказать, что первый электролизёр на 41 % больше затрачивает энергии, чем её возможно произвести при сжигании одного кг водорода, а второй на 6 %. Использование водорода произведённого на данных электролизёрах, для длительного хранения энергии можно считать не целесообразным, так как при этом необходимо учесть энергию, которая будет затрачиваться на его хранение. Произведенный водород, требует специализированного оборудования, например для хранения в баллонах, необходимо его сжатие. Для сжижения водорода, необходимо криогенное оборудование, а для хранения в соединениях с металлами, так же необходимо специализированное оборудование. При сжатии водорода, охлаждении или взаимодействии с металлами требуется дополнительная энергия, что делает производство водорода на обычных электролизёрах с дальнейшим его хранением, не эффективным и энергозатратным.

Поэтому используя хранение водорода в соединении метанола, устраиваются большие потери энергии на хранение по сравнению с вышеперечисленными способами. На сегодня, для производства водорода в больших масштабах не применяются электролизёры в виду высоких затрат энергии. Вместо этого применяют паровую конверсию углеводородов и углерода, где теоретические затраты в первом случае составляют 9,52 кВт⋅ч/кг, а во втором случае 10,35 кВт⋅ч/кг водорода. Поэтому во всём мире для массового производства водорода используется паровая конверсия углеводородов и углерода

При использовании паровой конверсии метанола на производство одного кг водорода, затраты энергии составляют всего 2,3 кВт, но в виду широкого применения в химической промышленности, метанол пока для массового производства водорода не используется. Недостатком любой паровой конверсии является попутное производство углекислого газа. Побочный продукт производства водорода – углекислый газ, при выбросе в атмосферу уносит часть энергии, при этом производство теряет часть ценного сырья в виде кислорода и углерода.

В связи с вышеизложенным, при использовании РУВЭ, складывается схема, где водород производится с наименьшими энергозатратами путём паровой конверсии углеводородов, углерода и метанола, а произведённый углекислый газ выполняет технологическую функцию, работая в качестве плазмообразующего газа, нагревая шихту. Далее, углекислый газ распадается на составляющие, углерод и кислород с наименьшими энергозатратами, за счёт его диссоциации в расплаве металлов, выполняющих роль катализаторов, облучения плазмой и электролиза. Теоретически для диссоциации углекислого газа на кислород и углерод путём обычного нагрева, требуются энергозатраты, примерно 1,86 кВт⋅ч/кг. При пропускании углекислого газа, например, через катализаторы, состоящие из расплава галлия и серебра, энергозатраты снижаются до 0,23 кВт⋅ч/кг. Учитывая возможности схемы переработки вещества на РУВЭ, деление молекулы углекислого газа с наименьшими энергозатратами может производится за счёт взаимодействия с углеродом по реакции CO₂ + C → 2CO, где теоретические энергозатраты составляют 0,854 кВт⋅ч/кг. Данная реакция, например, используется в домне для восстановления железа производимым в ходе реакции угарным газом.

При использовании, например, мусоросжигательных заводов, для производства энергии, основным недостатком является использование прямого сжигания отходов в кислороде воздуха, что приводит к значительной потере энергии. Максимальную энергию, возможно производить при сжигании кислорода и водорода извлечённых из этих отходов.

На фиг. 4 показаны простейшие схемы обычного сжигания углеводородов в кислороде воздуха и преобразования рудоуглеводородов с получением кислорода и водорода, сжигаемых в рудоуглеводородном энергоблоке.

В сравнительной схеме, возможно, наблюдать, что если углеводороды сгорают напрямую в кислороде воздуха, то производится не максимально возможное количество тепла. Выработка тепловой энергии снижается за счет применения воздуха, который необходимо нагревать и далее сбрасывать в атмосферу. По мере утяжеления соединений углеводородов, то есть, используя вместо метана, например, пропан, мазут или уголь, так же идет снижение выработки тепловой энергии. Увеличение в зоне горения поимо топлива количества других химических веществ, приводит к значительному снижению выделяемой тепловой энергии, как например, при сжигании угля в домне, где одновременно находится руда и флюсы.

На фиг. 5, показано условно схематичное преобразование реагентов на рудоуглеводородном энергоблоке, которое начинается с нагрева и взаимодействия смеси различных углеводородов, руды и воды, что создаёт эффект присутствия катализаторов в момент проведения реакций, сопровождающихся распадом сложных соединений на более простые соединения. В итоге это приводит к образованию синтез-газа, из которого производится метанол. Необходимо учитывать, что при синтезе метанола, в его состав поступает водород не только от распадающихся углеводородов и соединений углерода, но и от воды, позволяя накапливать его в два раза больше. На следующей стадии при паровой конверсии метанола происходит извлечение водорода из соединений метанола и снова воды. В итоге по сравнению с водородом, содержащемся в исходных углеводородах это увеличивает количество извлекаемого для сжигания водорода в три раза.

Следовательно, извлечение и сжигание водорода по второй схеме позволяет значительно больше произвести энергии, по сравнению с простым сжиганием углеводородов в кислороде воздуха. Сравнение на фиг. 5 двух простейших схем преобразования реагентов показывает, что наиболее энергоэффективно производить энергию на рудоуглеводородном энергоблоке, извлекая водород и кислород из состава шихты для сжигания с целью производства или накопления энергии.

[45] Энергозатраты и производительность плазмохимического процесса зависят от мощности плазмотрона. По статистике работы металлургических плазмотронов установлена зависимость энергозатрат от их мощности. При мощности плазмотрона 0,1 МВт потребление энергии составляет, примерно 5 МВт·ч/т, при мощности 1 МВт, соответственно, 2,7 МВт·ч/т, при 10 МВт – 0,55 МВт·ч/т, при 20 МВт – 0,5 МВт·ч/т, а при 175 МВт энергопотребление снижается до 0,34 МВт·ч/т.Используя для переработки шихты плазмотрон мощностью 175 МВт, возможно, в час переплавлять 515т, в сутки – 12350т, а в год соответственно – 4,5 млн. т шихты, что сравнимо с работой современной домны.  

[46] Согласно произведенных расчетов, в год при переработке 4,5млн.т шихты будет произведено 2,1 млн.т чистой воды. Треть этого объема воды, как показано на фиг. 5, поступает на переработку вместе с шихтой, а две трети образуются из кислорода и водорода, содержащихся в руде и углеводородах. Данная особенность предлагаемой к внедрению технологии позволяет, например, использовать рудоуглеводородный энергоблок в качестве очистного сооружения для загрязненной воды, сбрасываемой из жилых и производственных объектов, а так же для очистки морской воды. Помимо этого, возможна переработка токсичных и радиоактивных вод, которые при плазменной обработке, проходя через цепочку различных реакций на атомномолекулярном уровне разделяются на водород и кислород в последствии снова образуя воду. Соответственно вновь сформированная молекула воды полностью отделяется от любых примесей и восстанавливает исходную структуру.

В результате переработки шихты по расчётам помимо воды будет произведено 1,2млн.т металлов, 0,3млн.т неметаллов и 0,9млн.т строительно-конструкционного углерода. При плавлении шихты будут расходоваться электроды плазмотрона из расчета 1,2 кг/т переплавляемой шихты, поэтому на их восстановление будет потрачено 5400т углерода, что составит менее одного процента от произведенного углерода. Расходуемые электроды плазмотрона в процессе плавления теряют свою массу, но при этом потерянный углерод продолжает участвовать в процессе газообразования и восстановления металлов.

Основная масса производимого углерода будет поставляться на Рынок, что позволит получать дополнительную прибыль. [47] Дополнительная прибыль, так же будет получена за счет извлечения драгметаллов и редкоземельных металлов, находящихся в руде и углеводородах. Например, при среднем содержании золота в земной коре равном 0,005г/т, а серебра 0,1г/т, из 4,5млн.т шихты будет извлечено 22,5кг золота и 450кг серебра. Энергии по теоретическим расчетам, будет произведено 3,7 ТВт·ч в год, где плазмотрон мощностью 175 МВт·ч за это время потребит только 1,53 ТВт·ч энергии. При осуществлении процесса с использованием РУВЭ, необходимо учесть, что пароводородная турбина вырабатывает электроэнергию, не только за счёт сжигания водорода в кислороде, но и за счет тепла возвращаемого оборотным паром, который нагревается за счет охлаждения металлургического и химического участка энергоблока. Вырабатываемая энергия в объеме 2,17 ТВт·ч в отсутствие внешнего потребления, может быть направлена на синтез 410 тыс.т метанола, в котором произведенная энергия может храниться неограниченное время.

[14] Прирост выработки дополнительной энергии на РУВЭ не посчитан, за счет применения операции облучения вещества исходной шихты потоком элементарных частиц плазмы. В этом процессе под действием излучения плазмы, возможно, реализовать фотохимическую паровую конверсию метана или алифатических углеводородов выделяемых из шихты. При протекании этой реакции, где метан и вода преобразуется в метанол и водород, идет не поглощение, а выделении энергии в объеме 0,955 кВт⋅ч/кг:

,

Следовательно, протекание фотохимической реакции позволяет дополнительно вырабатывать определенный объем энергии, который может поставляться на Рынок или направляться на производство метанола.

Особый интерес фотохимическая паровая конверсия может представлять во время слива расплава в турбину. Данный момент изображен на фиг. 3в, где факел плазмы обеспечивает фотохимическую реакцию, при взаимодействии газа метана и пара, которые вращают турбину. За счёт соприкосновения пара и метана с турбиной в момент их облучения, будет протекать фотохимическая реакция между реагентами, которые нагреваясь охлаждают турбину и придают ей вращение. При этом будет образована молекула метанола и водорода. Для повышения эффективности процесса, в реакции будут участвовать вещества расплава в качестве катализаторов. Появляющийся в избытке водород необходимо связывать с молекулой угарного газа, создавая смесь синтез газа. Для этого турбина выполняется из углерода (графита), который возможно усилить металлическим каркасом снаружи переходящим в турбинные лопатки. Дополнительно нижняя камера по внутренней плоскости, изображенная на фиг. 2, облицовывается плитками из углерода. Турбина и внутренняя плоскость камеры из углерода при соприкосновении с парами воды, по реакции C + H₂O → CO + H₂ образуют водяной газ, при добавлении к которому молекулы водорода, будет образован синтез газ, который поступая в аппарат, будет синтезирован в метанол. Так же источником угарного газа для связывания молекулы водорода в синтез газ будет служить углекислый газа, который диссоциируя в плазме на молекулу угарного газа и атом кислорода, при соприкосновении кислорода с углеродом турбины и нижней камеры, будут образовывать две молекулы угарного газа.

В связи с тем, что на РУВЭ, в качестве конечного продукта выделяется углерод, становится эффективным его использование для переработки рудоуглеводородной шихты. Производя их этого углерода турбины и облицовку для нижней камеры, будет производиться с его участием, энергоноситель.

Конструктивно использование углерода в качестве корпуса турбины позволит за счет снижения веса ускорить её вращение, как следствие это позволит увеличить воздействие на расплав, за счет более высокого центробежного давления. При повышении оборотов вращения, разделение вещества по плотности будет происходить за более короткое время.

Турбина из углерода позволит расплаву более длительное время находится в жидком виде, что в свою очередь позволяет более эффективно разделить вещество по плотности. Таким образом углерод будет повторно задействован в конструкции РУВЭ, как электроды плазмотрона и далее по мере разрушения конструкции, будет участвовать в качестве наполнителя шихты, как обычный реагент.

При запуске рудоуглеводородных энергоблоков становится целесообразно подключать к ним атомные электростанции, производимое тепло с которых будет полностью направляться на производство полезной работы. В качестве этой работы, будет использование тепловой энергии для проведения эндотермических реакций, например при паровой конверсии углеводородов, углерода и метанола. Электростанции, работающие на возобновляемых источниках энергии, при совместной работе с РУВЭ, так же будут наиболее эффективны за счет возможности принятия от них всей производимой энергии, к которой относится электроэнергия и тепло с целью её сохранения в виде метанола.

Тепловые электростанции, которые на сегодня в мире вырабатывают основную долю энергии, могут быть полностью заменены на рудоуглеводородные энергоблоки. Это будет происходить в связи с тем, что для прямого сжигания требуется большее количество углеводородного топлива, а используя это топливо в качестве составной части шихты на РУВЭ будет производится значительно большее количество энергии. На атомных электростанциях топливом считается радиоактивное вещество, которое на сегодня так же используется не эффективно.

На фиг. 6 показано сравнение энергоблоков тепловой электростанции (ТЭС), атомной электростанции (АЭС) и рудоуглеводородного энергоблока (РУВЭ). Энергблок ТЭС и АЭС используют для охлаждения конденсатора воду, которая нагреваясь сбрасывает тепло в атмосферу, что снижает КПД работы энергоблоков до 30 %. В случае применения РУВЭ, тепло от пара сбрасываемого с турбины, передается рудоуглеводородной шихте, позволяя его использовать для восстановления металлов и неметаллов.

Другим принципиальным отличием энергоблоков ТЭС и АЭС от РУВЭ, являются источники тепла, нагревающие оборотную воду. На ТЭС источником тепла служит только топка, где сжигается топливо, а на АЭС только атомный реактор. На РУВЭ источником тепла, для нагрева оборотной воды, служит не только камера сгорания, куда поступает пар и сжигается водород в кислороде, но и химические реакции, протекающие на металлургическом и химическом участке, где выделяемое тепло нагревает конструкцию плазмохимической установки и аппарата метанола, которые отдают тепло воде, превращая её в пар.

Принципиальным отличием в работе энергоблоков, является то, что на АЭС и ТЭС невозможно полностью использовать вырабатываемую энергию, часть которой сбрасывается в атмосферу, при этом на РУВЭ эта сбрасываемая энергия идет на проведение химических реакций для производства энергоносителей, металлов и неметаллов. Поэтому работа РУВЭ становится более энергоэффективной, так как позволяет использовать не только тепловую энергию, производимую в камере сгорания энергоустановки, но и тепловую энергию вырабатываемую на других участках этого энергоблока. Не маловажным отличием от АЭС и ТЭС, является то, что помимо выработки тепла и электроэнергии на РУВЭ, одновременно производятся металлы и неметаллы. В следствии вышеизложенного за счёт изменения схемы выработки энергии, которая становится более энергоэффективной и объединяется с выработкой сырьевой продукции. Поэтому, в дальнейшем будет происходить постепенная замена ТЭС на РУВЭ. При этом схема работы АЭС, где идет сброс тепловой энергии в атмосферу, так же будет заменяться на схему совместной работы АЭС и РУВЭ.

На фиг. 7 изображен энергоблок объединяющий схему работы АЭС и РУВЭ.

[48] Объединенная схема от обычной принципиальной схемы АЭС отличается тем, что в качестве охлаждающей среды вместо воды используется перерабатываемая шихта, а источником парообразования служит не только атомный реактор, но и в основном камера сгорания для сжигания водородно-кислородной смеси, а так же продукты реакции, металлургическое и химическое оборудование, за счет охлаждения которого нагревается оборотная вода и превращается в пар. Поэтому, КПД работы АЭС при совместной работе с РУВЭ значительно возрастает, где одновременно решается задача более стабильной и ровной работы электростанции. Например, при снижении потребления энергии внешним потребителем, вся вырабатываемая энергия идет на производство метанола или другого энергоносителя (этанола, синтетического топлива, аммиака), в котором запасается энергия. При повышении энергопотребления на внешнем контуре к потребителю начинает поступать электроэнергия вырабатываемая за счёт совместного энергоблока и может передаваться дополнительная энергия от запасенного метанола, который диссоциируя на водород, производит при его сжигании необходимый объем энергии. Таким образом, создаётся схема, которая способна работать в широком диапазоне изменения в потреблении энергии.

На фиг. 7 показаны все аналогичные позиции схемы РУВЭ, ранее изображенной на фиг. 1, где внутрь контура 29 помещён атомный реактор 34, парогенератор 35, через который прогоняется вода циркуляционным насосом 36. В парогенератор 35 заходит оборотная вода по трубопроводу 37, превращаясь в пар, который уходит по трубопроводу 38 в камеру сгорания 20. В совмещенном энергоблоке вся вырабатываемая энергия расходуется на производство полезной работы, часть из которой, превращаясь в электроэнергию, расходуется на плазмотроне, а оставшаяся часть поставляется внешнему потребителю или превращается в энергоноситель в котором запасается энергия до нужного момента её использования. Побочным эффектом выработки энергии на совмещённом энергоблоке, является производство различных продуктов в виде металлов и неметаллов, которые поставляются на Рынок.

По аналогичной схеме с РУВЭ будут работать электростанции на возобновляемых источниках энергии, такие как гидроэлектростанции (ГЭС), ветровые (ВЭС), солнечные (СЭС) и другие подобные электростанции. При этом схема РУВЭ будет полностью потреблять электроэнергию с этих электростанций, перерабатывая её в рыночные продукты и энергоноситель (метанол), если данная энергия не требуется внешнему потребителю.

На фиг. 8 показана совмещенная схема энергоблока РУВЭ работающая совместно с электростанциями на возобновляемых источниках энергии.

На РУВЭ во внутренний контур 29, с внешних контактов 39 поступает электроэнергия, вырабатываемая внешними электростанциями, такими как ГЭС, СЭС, ВЭС, работающих на возобновляемых источниках энергии. Далее электроэнергия поступает на выпрямитель 28 и расходуется на поддержание процессов, обеспечивающих работу РУВЭ. При необходимости, вырабатываемая электроэнергия с генератора 27 передается на внешние клеммы 40, откуда она передается далее внешнему потребителю. По аналогии работы с совместным энергоблоком, состоящим из РУВЭ и АЭС, данный совместный энергоблок, состоящий, например, из ГЭС и РУВЭ, будет выдавать электроэнергию внешнему потребителю по мере необходимости, а всю остальную вырабатываемую энергию на ГЭС будет так же переводить в энергоноситель и одновременно производить различные металлы и неметаллы, включая воду.

Объединённая схема из двух энергоблоков, где энергоблок РУВЭ совмещён с внешней электростанцией позволяет сглаживать пики потребления энергии для внешнего потребителя, за счет перевода электроэнергии с возобновляемых электростанций в энергоноситель, когда эта энергия не требуется. В случае, когда энергия требуется, начинает перерабатываться накопленный энергоноситель, вырабатывая необходимое количество электроэнергии. Данная схема работы совмещенных энергоблоков, позволяет запасать энергию, когда её избыток и использовать её, когда электростанции на возобновляемых источниках энергии не могут её производить.

Тепловые электростанции на возобновляемых источниках энергии, такие как гидротермальные электростанции и солнечные коллекторы, которые извлекают тепло для его поставки потребителю или переработки тепла в электроэнергию для потребителя, так же наиболее эффективно будут работать совместно с РУВЭ.

На фиг. 9 показана совмещенная схема, объединяющая энергоблок РУВЭ с тепловой электростанцией, которая имеет все те же преимущества, что и совмещенные схемы с АЭС, ГЭС, ВЭС и СЭС. На фиг. 9 приведены аналогичные обозначения агрегатов РУВЭ взятые с фиг. 1, которые дополняются агрегатами тепловой электростанции, куда входит внешний приёмник тепла 34, улавливающий солнечное тепло или тепло от других различных теплоносителей, включая воздух, воду и грунт. С приемника тепла 34 полученная энергия поступает в парогенератор 35, где происходит нагрев оборотной воды за счёт потока теплоносителя, который перемещается под действием насоса 36. В схему может быть включён тепловой насос, позволяющий перевести низкопотенциальное тепло, поступающее от внешних источников в высокопотенциальное, позволяющее переводить воду в пар. Оборотная вода, двигаясь по трубопроводу 37, нагревается до парообразного состояния в парогенераторе 35 и далее пар двигается по трубопроводу 38 в камеру сгорания 20. Тепло, которое ранее поступало потребителю, напрямую от тепловой электростанции с приёмника тепла, в данном случае поступает по трубопроводу 41, который выходит за пределы контура 29, за счет открытия клапана 42, где тепловая энергия снимается с турбины 1 из трубопровода 32. Охлажденный поток воды от потребителя возвращается по трубопроводу 43, внутрь контура 29, вливаясь в трубопровод 44. Электроэнергия потребителю в случае необходимости передается с генератора 27, через внешние клеммы 40. Эта совмещенная схема работы энергоблоков, особенно эффективна в местах концентрации тепловой энергии, где имеются различные полезные ископаемые. Устанавливая в этих местах РУВЭ совмещенный с приёмником тепла, возможно, организовать производство по утилизации тепла и переработке рудоуглеводородного сырья в готовую продукцию, состоящую из различных металлов и неметаллов, где одновременно будет вырабатываться определенное количество энергии или энергоноситель. Тепло или электроэнергия, будут передаваться потребителю в нужный момент времени, а в отсутствие надобности в энергии, она будет накапливаться в виде энергоносителя, не останавливая процесс переработки шихты.

Совмещенный энергоблок будет эффективно работать на подземных источниках тепла, например, таких как гейзеры на Камчатке, где имеется необходимое сырьё под переработку. Для работы совмещенных энергоблоков не требуется энергия от обычных электростанций, так как потребляемая тепловая энергия по мере необходимости, может превращаться в электроэнергию или накапливаться в энергоносителе. Следовательно, РУВЭ с запиткой от теплового источника может работать в автономном режиме неограниченное время, что позволяет его использовать в местах удаленных от энергоснабжения.

На сегодня возобновляемая энергетика не достаточно эффективна, по причине высоких потерь энергии, при доставке её потребителю. При объединении РУВЭ с электростанциями на возобновляемых источниках энергии идёт устранение этого недостатка, за счет использования всей вырабатываемой энергии, которая расходуется на выработку энергоносителя, металлов и неметаллов.

На сегодня, например, в Японии на острове Хоккайдо размещён большой парк ветроэлектростанций, которые поставляют вырабатываемую электроэнергию в промышленную часть страны, от которой потребителю доходит не более 3 % энергии. В случае подключения к этому ветропарку рудоуглеводородного энергоблока вся вырабатываемая энергия будет использоваться на производство энергоносителя, металлов, неметаллов и воды. Далее энергоноситель в виде метанола, аммиака, синтетической нефти и других топлив, может поставляться потребителю, где уже на месте потребления из энергоносителя будет вырабатываться электроэнергия и тепло. Данное изменение с применением РУВЭ, позволит значительно увеличить количество энергии, которое будет доходить до потребителя. Это относится ко всем электростанциям, таким как АЭС, ГЭС, СЭС расположенным на большом удалении от места потребления энергии. Объединяя эти электростанции с РУВЭ, будет производиться энергоноситель, и поставляться к месту потребления энергии, где в нужный момент запасённая энергия в энергоносителе, начинает использоваться в необходимом объёме для выработки энергии.

Другим преимуществом объединенной схемы РУВЭ с различными типами электростанций является извлечение топлива из шихты в виде водорода и окислителя, в виде кислорода, где водород и кислород находятся в воде, углеводородах и руде, из которых составляется шихта. Особенно эффективно использование РУВЭ для замены современных ТЭС, где не полностью используются возможности топлива. Например, при работе ТЭС, сжигая природный газ в объеме 1 кг, производится 12,5 кВт⋅ч энергии из которой 3,8 кВт⋅ч направляется в электроэнергию, а 8,7 кВт⋅ч сбрасывается в виде тепла в атмосферу, что снижает эффективность работы электростанции.

Для определения энергетических возможностей РУВЭ, целесообразно провести сравнение его работы с ТЭС, где будет производиться сжигание одинакового количества углеводородного топлива. Во время работы РУВЭ, необходимо принять определённый объём шихты из которой будет получено топливо для его сжигания в камере сгорания на турбине, где за время переработки данного объёма шихты протекают различные реакции с различной скоростью для разных химических элементов входящих в состав шихты. Для расчёта энергетического баланса принимаем, что в состав шихты входят различного вида углеводороды общей массой 938 кг, где содержание углерода составляет 750 кг, водорода 125 кг, металлов 42,5 кг, неметаллов 20,5 кг. Углеводороды смешиваются с рудой массой 2128 кг, где в этой смеси находятся 562,5 кг воды. В полученной шихте кислорода содержится 1000 кг, металлов 915 кг и неметаллов 213 кг. [49] Общая масса шихты составляет 3628,5 кг, на выходе из РУВЭ общая масса реагентов также составляет 3628,5 кг, которые выходят в виде 1687,5 кг воды, 957,5 кг металлов, 750 кг углерода и 233,5 кг неметаллов, разделённых по своему составу в определённом объёме. 

Схема работы РУВЭ позволяет любого вида углеводороды переводить в наиболее простое соединение метана, который в ходе паровой конверсии будет образовывать синтез-газ, используемый далее для синтеза метанола. Синтез-газ содержит в полтора раза больше необходимого для синтеза метанола водорода, поэтому для выравнивания его состава, параллельно протекает реакция паровой конверсии углерода. Полученный метанол, по мере его образования, идёт на паровую конверсию, в ходе которой производится водородное топливо, сжигаемое в камере сгорания, производя энергию на поддержание процесса работы РУВЭ с образованием оборотной воды отдающей тепло шихте и забирающей тепло с металлургического и химического участка, направляя его снова на образование части пара для вращения турбины. Другая третья часть от всего объёма производимой оборотной воды после турбины, отдаёт его метанолу, с которым смешивается, производя паровую конверсию с утилизацией части тепловой энергии сбрасываемой с турбины. Для различных химических элементов, таких как углерод, водород и кислород, входящих в состав шихты, скорость перемещения по трубопроводам внутри устройства РУВЭ, будет значительно большая, чем путь прохождения для металлов и неметаллов входящих в состав шихты. То есть, если масса металлов и неметаллов, пройдёт через устройство РУВЭ только один раз, то за этот период времени масса кислорода, водорода и углерода, будет проходить два и более раза. 

В балансе прихода-расхода энергии, необходимо учитывать всю массу вещества, проходящую через зону плавления и конверсии. В таблице 2 (фиг.10) приведён расчёт прихода – расхода энергии за счёт основных реакций протекаемых в устройстве РУВЭ, где в состав шихты входят различные углеводороды.

Для сравнения, при сжигании 500 кг метана в кислороде воздуха на ТЭС:

;

Выделение энергии 2,78 кВт⋅ч/кг реагентов или 13,9 кВт⋅ч/кг CH₄, выход энергии составляет: 2500 кг · 2,78 кВт⋅ч/кг = 6950 кВт⋅ч. При диссоциации произведенного углекислого газа будет затрачено 1375 кг · 1,86 кВт⋅ч/кг = 2558 кВт⋅ч энергии, в итоге теоретический остаток энергии равен 4392 кВт⋅ч.

Необходимо учесть, что на ТЭС при сжигании топлива вместе с кислородом воздуха в топку поступает азот и другие газы, которых примерно 80 %. Следовательно, 500 кг метана при сжигании нагревают дополнительно 10000 кг воздуха. Таким образом, общая масса реагентов составляет примерно 10500 кг, где на единицу массы метана приходится 20 единиц масс воздуха, то есть 1:20.

На РУВЭ в шихте на 500 кг выделяемого метана приходится примерно в 6,3 раза больше используемой массы шихты, то есть соотношение масс равно 1:6,3. При производстве энергии на РУВЭ необходимо учитывать, что во время периода восстановления металлов и неметаллов, другие реагенты в объёме шихты, куда входит кислород, водород и углерод, проходят стадии нагрева и распада в соединениях несколько раз. Исходное количество кислорода в составе шихты составляет 1500 кг, который входит в соединения воды и руды. Для синтеза метанола в ходе проведения цепочки реакций используется объём кислорода общей массой 1000 кг. Во время паровой конверсии метанола к этой массе добавляется ещё 1000 кг кислорода, где образуется углекислый газ, из состава которого путём диссоциации выделяется снова 2000 кг кислорода поступающего на сжигание водорода. Для производимого водорода и его сжигания требуется 3000 кг кислорода. Следовательно, этот объём кислорода производится за время восстановления металлов и неметаллов, путём преобразования кислород содержащих соединений, которые проходят стадии нагрева, синтеза и распада внутри устройства РУВЭ минимум два раза. Таким образом, к массе исходной шихты, необходимо добавлять 1500 кг массы кислорода, которую требуется дополнительно нагревать.

Углерод в этом процессе ведёт себя аналогично кислороду, где исходное количество углерода в составе шихты равно 750 кг. Данная масса углерода проходит зону плазменного плавления один раз с целью образования метанола, а следующий проход этой массы углерода через зону плавления происходит в виде соединения углекислого газа. Таким образом, к исходной массе углерода, так же необходимо добавить дополнительные 750 кг углерода, который за время восстановления металлов и неметаллов, как минимум два раза проходит внутри устройства РУВЭ.

Водород преобразуется по аналогичной схеме, где в исходную шихту входит 187,5 кг водорода, из которого 125 кг находится в соединениях различных углеводородов, а 62,5 кг находится в составе воды. При этом в ходе восстановления металлов и неметаллов, водорода сжигается 375 кг, то есть в два раза больше, чем исходного водорода. Поэтому к исходной шихте необходимо добавить массу 187,5 кг водорода, которая требует нагрева.

В общем, к исходной массе шихты равной 3628,5 кг, за период восстановления добавляется 1500 кг кислорода, 750 кг углерода и 187,5 кг водорода, то есть масса 2437,5 кг. Следовательно, за период восстановления металлов и неметаллов, нагревается общая масса вещества равная 6066 кг. Дополнительный расход энергии для нагрева вещества массой 2437,5 кг составляет: 2437,5 кг · 0,34 кВт⋅ч = 829 кВт⋅ч.

Общий теоретический выигрыш в энергии на РУВЭ составляет 5701 кВт⋅ч, при этом в общей массе нагреваемого вещества, масса 500 кг метана соотносится как 1:11. Это соотношение меньше по сравнению с соотношением массы метана сжигаемого в кислороде воздуха на ТЭС, где оно равно 1:20. На данный момент времени, при сжигании 500 кг метана в кислороде воздуха на обычных ТЭС, вырабатывается 6950 кВт⋅ч тепловой энергии. При КПД ТЭС примерно в 30 %, на полезную работу затрачивается 2085 кВт⋅ч. Следовательно, на РУВЭ, по предварительным расчётам, будет вырабатываться в два с лишним раза больше энергии. Данные расчёты приведены без учёта работы специализированных катализаторов, позволяющих значительно снизить энергозатраты на диссоциацию углекислого газа.

[50] При нахождении в составе шихты катализаторов, где энергия диссоциации углекислого газа в расплавах металлов составляет всего 0,23 кВт⋅ч/кг, затраты энергии на полную диссоциацию 2750 кг образуемого углекислого газа на РУВЭ составят всего 2750 кг · 0,23 кВт⋅ч = 633 кВт⋅ч, вместо расчётных 5115 кВт⋅ч. Следовательно, теоретический выигрыш в энергии вырабатываемой на РУВЭ составит 8874 кВт⋅ч. По сравнению с ТЭС на РУВЭ, возможно, производить в четыре раза больше энергии. Учитывая, что вырабатываемая энергия от ТЭС до потребителя идёт с потерями, которая тратится для производства тех же металлов и неметаллов, где во время этих процессов, так же идут потери энергии, то итоговый выигрыш в производстве энергии на РУВЭ, может быть пятикратным и более. Вся произведённая энергия на РУВЭ, при переводе её в энергоноситель, которым является метанол, но может быть так же аммиак, синтетическая нефть и другие химические соединения, будет храниться неограниченное время и доставляться до потребителя с минимальными потерями энергии.

Работу РУВЭ с возможностью переработки подобного объёма руды, целесообразно рассмотреть без использования углеводородов, как наиболее ценного и труднодоступного сырья. Из рабочей схемы РУВЭ следует, что в ходе реакций будет накапливаться значительный объём углерода, который возможно использовать повторно для восстановления следующей партии руды. При этом необходимо чтобы на выходе отсутствовали газовые выбросы угарного и углекислого газов, что достаточно сложно сделать при отсутствии углеводородов, но возможно за счёт выброса в атмосферу излишней массы кислорода, входящего в исходный состав шихты. Для реализации этой схемы из состава шихты устраняется масса водорода входящего в соединения углеводородов и заменяется массой водорода входящего в состав воды, при этом общая масса шихты увеличивается на 1000 кг. В данном случае в состав шихты будет входить 750 кг углерода, 233,5 кг неметаллов, 957,5 кг металлов, 1000 кг кислорода находящегося в составе руды и 1687,5 кг воды, где вся масса шихты составит 4628,5 кг. На выходе будет образовано то же самое количество воды, а так же металлов, неметаллов и углерода. В ходе реакции из состава руды будет получен газообразный кислород массой 1000 кг, который будет поставляться на Рынок или будет сброшен в атмосферу, а так же может пойти на сжигание углерода по обычной схеме.

Общий баланс потребления – выделения энергии, протекаемой на РУВЭ, где в качестве исходного восстановителя в шихте используется углерод, показан в Таблице 3 (Фиг.11).

Использование угля на РУВЭ, вместо углеводородов снижает выход энергии в 2,7 раза. Сжигание на ТЭС 750 кг углерода в кислороде воздуха по реакции, происходит с выделением энергии 9,17 кВт⋅ч/кг C, в итоге производя 750 кг · 9,17 кВт⋅ч/кг = 6878 кВт⋅ч энергии. В результате реакции так же производится 2750 кг углекислого газа на полную диссоциацию которого, при расходе энергии 1,86 кВт⋅ч/кг, будет затрачено 2750 кг · 1,86 кВт⋅ч/кг = 5115 кВт⋅ч энергии. Следовательно, теоретический остаток энергии составит 1763 кВт⋅ч. При сжигании угля на ТЭС, вместе с кислородом в топку поступает азот и другие газы, поэтому 750 кг угля реагируют и нагревают, примерно 10000 кг воздуха. На единицу массы углерода приходится 13,3 единиц масс воздуха, то есть 1:13,3. В РУВЭ, за период восстановления металлов нагревается 8066 кг вещества, где соотношение углерода к остальному веществу шихты составляет 1:9,8. Поэтому, при данном соотношении на РУВЭ используется меньшее количества вещества на единицу топлива, что повышает КПД его использования.

Ценность данного расчёта для практического применения заключается в том, что углерод в ходе преобразования, выходит из реакций в твёрдом виде и может повторно использоваться для восстановления новой партии руды. Таким образом, исчезает необходимость в использовании углеводородного топлива. Следовательно, при использовании РУВЭ, согласно данным расчётам, для выработки единицы объема энергии производимой на ТЭС потребуется в несколько раз меньше топлива или традиционное топливо может быть полностью заменено углеродом извлекаемым из углекислого газа.

[50] В случае использования катализаторов, которые могут оказаться в расплаве шихты на РУВЭ по аналогии с Ga-Ag, где полная диссоциация углекислого газа протекает со значительно меньшими энергозатратами, выигрыш в полезной энергии так же значительно увеличивается. Учитывая, что электролиз и облучение молекулы углекислого газа элементарными частицами плазмы, так же будут способствовать энергоэффективному распаду этой молекулы, можно утверждать о получении дополнительной энергии. Следовательно, в дальнейшем для выработки энергии будут применяться РУВЭ вместо сегодняшних ТЭС.

Особенно эффективно заменять ТЭС, работающую на угле. В этом случае помимо дополнительной выработки энергии, из угля будет производиться энергоноситель, металлы, неметаллы и в большом количестве технический углерод, который возможно использовать для строительства, электроники и повторного использования на электростанциях. Применение РУВЭ может оказать влияние на развитие нефтеперерабатывающих заводов.

На РУВЭ в зоне горения плазмы образуется расплав, формируя вокруг себя зону предварительного нагрева вещества шихты, где максимальный нагрев шихты может достигать более 2000 ^oC. Как известно на НПЗ основные реакции по преобразованию углеводородов протекают при температуре нагрева не превышающей 560 ^oC, во избежание выхода из строя специализированных катализаторов. В предлагаемом плазменном процессе на РУВЭ, катализаторами служат химические элементы, находящиеся в составе шихты. Во время плавления шихта постоянно обновляется, а следовательно обновляются и катализаторы поэтому реакции по преобразованию углеводородов находящихся в шихте будут протекать при температурах выше 560 ^oC, вплоть до температуры 2000 ^oC и более. По этой причине, любые тяжелые соединения углеводородов и упорные руды, под действием высокой температуры, в присутствие катализаторов будут распадаться более эффективно, до более легких соединений. Из углеводородов в основном будет производиться метан, а из руды будут восстанавливаться металлы с образованием угарного и углекислого газа. Вместе с выделяемыми газами из состава шихты будет выделяться вода в виде пара, образуя рабочую газовую смесь из которой путём паровой конверсии в присутствии катализаторов шихты образуется синтез-газ.

Для извлечения синтез-газа в металлургической части установки, необходимо определенное устройство, изображённое на фиг. 12, где плазмотрон 1 являясь анодом, создаёт плазму 2 и погружается в расплав 3, который является катодом, за счет того, что к тиглю 4 удерживающему расплав подключён “минус” от источника питания. Ванна расплава окружена гарнисажем 5, являющимся объёмом в котором протекают предварительные реакции восстановления, то есть гарнисаж работает предварительной зоной нагрева. Гарнисаж пополняется веществом шихты 6, поступающей по центральной шахте 7, которая размещается внутри внешней шахты 8, между шахтами образуется кольцевое пространство 9, через которое выходят различные газы. При подходе шихты к ванне расплава, идёт её прогрев с образованием предварительной зоны нагрева, где сложные соединения распадаются на более простые с выделением газов. В центральной шахте 7 имеются отверстия, через которые выходят различные газы и выходит поток синтез-газа 10, образованный в ходе каталитической паровой конверсии метана и углерода, который по кольцевому пространству 9 уходит на сепарацию от примесей и далее на синтез в аппарат метанола. Вокруг плазмотрона 1, работающего анодом, формируется зона выделения газов, где в газовой смеси присутствует в основном кислород, образуемый в результате распада соединений расплава руды и углекислого газа. Образуемый газово-кислородный поток 11, поднимаясь откачивается через верхний патрубок 12. Тигель 4, являясь катодом по своей границе с ванной расплава в ходе реакций и электролиза образует газово-водородный поток 13, который поднимаясь, захватывается отбойником 14, отделяющим его от газово-кислородного потока 11, который откачивается через нижний патрубок 15. Произведенные потоки различных газов, идут на разделение в сепараторах и далее произведённый водород и угарный газ идут на синтез метанола. Далее, водород снова выделяется во время паровой конверсии метанола и поступает на сжигание в камеру сгорания, куда так же поступает кислород после отделения от других газов в сепараторе.

Газово-кислородный и газово-водородный потоки в первую очередь освобождаются от более тугоплавких паров, различных металлов и неметаллов, а далее из потока газа извлекается кислород поступающий в накопитель из которого по мере необходимости направляется на сжигание водорода в камеру сгорания. Водород, извлекаемый из газовой смеси, идёт на производство метанола и далее хранится в этом соединении, до момента, когда он потребуется для сжигания.

Для обеспечения процесса дополнительным водородным топливом и кислородом, реагенты 16 содержащие водород, кислород и углерод, в составе более стойкой руды, углеводородов, воды, угарного и углекислого, и других газов, включая природный газ и метан, а так же твёрдых и жидких соединений повторно через трубопровод 17 поступают на преобразование в зону предварительного нагрева и в зону плавления. За счет возможности повторного вовлечения реагентов на повторную конвертацию, создаётся процесс аналогичный циклическому производству метанола в аппарате метанола или производству аммиака, где в ходе реакции образуется только часть продукта (метанола или аммиака), а не прореагировавшие реагенты, повторно возвращаются на синтез. В случае использования РУВЭ, это могут быть реагенты, состоящие из сложных по своему строению углеводородов, таких как мазут, парафин, тяжелая нефть, а так же газообразные соединения пиролизного и природного газа, углекислый и угарный газ, пары воды или стойкие соединения руды. Возможность повторного вовлечения не достаточно распавшихся реагентов и реагентов в виде воды и углекислого газа, которые уже прошли реакции образования метанола и сжигания, образовав воду, позволяет создавать из тех же химических элементов повторно водородное топливо и кислород для его сжигания. За счёт этого создаётся энергоэффективная схема ускоренной циркуляции реагентов состоящих из водорода, кислорода и углерода, которые за небольшое время в небольшом пространстве, быстро преобразуются в топливо и окислитель, без значительных потерь энергии рассеиваемой в пространство. Множество циклов по преобразованию и сжиганию топлива, происходит за один период восстановления определенного объёма металлов. Это позволяет в случае не хватки энергии на восстановление определенного вида металла, увеличить количество циклов преобразования и сжигания топлива.

На РУВЭ для восстановления металлов, находящихся в составе шихты (фиг. 12), вновь образованный при плавлении углекислый газ подаётся через трубопровод 17, где он вместе с реагентами 16, поступает в предварительную зону нагрева 18 и взаимодействуя с углеродом шихты превращается в угарный газ. Произведённый угарный газ, взаимодействуя с оксидами, восстанавливает металлы и образует снова углекислый газ, который проходя через ванну расплава металлов диссоциирует на углерод и кислород с наименьшими энергозатратами. Поэтому на РУВЭ создаётся схема извлечения водорода с наименьшими энергозатратами и диссоциацией углекислого газа, так же с наименьшими энергозатратами, что позволяет высвобождать максимально возможную энергию за счёт сжигания водорода в камере сгорания и использовать её по максимуму для совершения полезной работы.

Энергоэффективность переработки шихты на РУВЭ, в конечном счёте зависит от эффективности работы катализаторов, которые в процесс могут подаваться специализированно в необходимом объёме, так же через трубопровод 17 в зону предварительного нагрева. В ходе проведения реакций, с меньшими или большими энергозатратами, будет установлена необходимая норма вводимых катализаторов, которая позволит достигать наилучших показателей в энергоэффективности.

На фиг. 12 показано, что в зоне нагрева и плавления шихты на отдельных участках образуется различная по составу газовая смесь, которую как минимум в три потока необходимо отводить на очистку и преобразование для извлечения различных химических компонентов. Это происходит и в случае когда плазмотрон, нагревает шихту находясь над её поверхность, где он не работает в качестве электролизёра. При этом углекислый газ, проходя через анод плазмотрона нагревается и сталкиваясь с нагреваемым веществом шихты, вступая с ним во взаимодействие с участием катализаторов, начинает распадаться на углерод и кислород или на угарный газ и кислород. В любом случае при прохождении углекислого газа через плазму, образуется газо-кислородный поток, только с большим или меньшим содержанием кислорода, который далее необходимо извлекать для накопления и сжигания водорода.

Таким образом, во время плавления шихты, формируется три различных по химическому составу газовых потока, в которых присутствуют летучие примеси металлов и неметаллов, находящиеся в шихте, а так же формируется жидкофазный остаток в виде четвертого потока расплава 19, сливаемого через патрубок 20 во вращающуюся турбину для его разделения по плотностям.

Данная схема показывает, что на РУВЭ при вовлечении в реакцию углеводородов, где водорода находится один кг в ходе реакции паровой конверсии с одновременной паровой конверсией углерода, производится синтез газ из которого синтезируется метанол, где водорода образуется два кг. Одновременно в ходе плавления шихты пополняется объём углерода за счёт диссоциации углекислого газа, работающего плазмообразующим газом. Углекислый газ передаёт основное тепло через поток плазмы веществу шихты. В этом процессе одновременно идёт образование воды, за счет реакций восстановления водородом оксидов металлов и неметаллов, а так же за счет сжигания водорода на турбине. Вновь образованная вода, вступая в реакцию с углеродом, производит водород и угарный газ. В ходе протекающих одновременно реакций паровой конверсии метана и углерода во время нагрева и плавления шихты, производится объём синтез-газа, где на один кг водорода находящегося в составе углеводородов исходной шихты, находится уже два кг водорода. Поэтому, на один кг водорода входящего в исходный состав углеводородов, синтезируется 16 кг метанола, в составе которого находится 2 кг водорода. Для извлечения на сжигание водорода входящего в состав метанола требуется для паровой конверсии добавить 9 кг воды, что позволяет дополнительно увеличить массу извлекаемого водорода до 3 кг с образованием 22 кг углекислого газа, который направляется на плазмообразование и нагрев шихты.

Общая схема реакций, протекающих параллельно друг другу в процессе производства водорода, показана цепочкой реакций протекающих параллельно на различных производственных участках РУВЭ:

При подборе соотношения объёмов различных веществ для шихты, на первом этапе предполагалось, что в её состав помимо руды и воды, будут входить традиционные углеводороды в качестве которых используется уголь, нефть и газ.

Для расчёта состава исходной шихты была использована смесь углеводородов, куда входит уголь, нефть и газ сжигаемых сегодня на мировых ТЭС в определенном соотношении.

По мере развития направления стало ясно, что для работы РУВЭ подходят любые виды углеводородного сырья, включая не только традиционные используемые на ТЭС, а так же торф, горючий сланец, нефтеносные пески, парафин, дрова, солома, бытовые отходы и углеводороды, рассеянные в объёме руды. Помимо углеводородов рассеянных в руде, при работе РУВЭ необходимо учитывать водород и углерод, входящие в состав руды, которые не связанны в соединения углеводородов, так как по массе в литосфере их примерно на порядок больше, чем углеводородов.

[41] Например, принимая в качестве руды техногенные осадочные породы, где водорода находится 1,5 %, а углерода 10 %, необходимо определить массу традиционных и нетрадиционных углеводородов, которые необходимо замешивать в шихту. Следовательно, на тонну руды, водорода придётся 15 кг, а углерода 100 кг. Таким образом, углеводородов в состав шихты необходимо добавлять, примерно на четверть меньше. Следовательно, применение РУВЭ, позволит не только уменьшить количество традиционных видов топлива для энергетики, но и уменьшит количество нетрадиционных видов топлива, заменяя его топливом в виде водорода, содержащегося в руде. Это в свою очередь позволит изменить схему добычи и перераспределения по миру современного топлива.

Для запуска процесса и работы РУВЭ, необходимо подбирать соотношение реагентов в шихте в определенной пропорции, где в исходной шихте должно находиться определенное количество кислорода. По отношению к кислороду в соответствии с его атомной массой, водорода в шихте должно находиться в восемь раз меньше для того, чтобы на выходе образовалась молекула воды. Две трети от массы водорода должны находиться в соединениях углеводородов, а одна треть в исходной воде, где в ходе завершения процесса, объём исходной воды будет увеличен в три раза. Объём вновь образующейся воды в ходе процесса постоянно задействован в реакциях создающих различные соединения. Количество углерода, входящего в состав шихты, примерно, по массе на порядок больше относительно водорода.

При освоении новой технологии переработки шихты на рудоуглеводородном энергоблоке открывается возможность, вовлечения в процесс любых видов соединений углеводородов, которые ранее не были задействованы в промышленности. Производство энергии на РУВЭ протекает с полным устранением газовых вредных выбросов в атмосферу. При использовании РУВЭ нетрадиционные топлива переходят в разряд стратегического топливного сырья и становятся наравне с промышленными углеводородами, такими как высококачественные угли, природный газ и нефть. За счёт вовлечения в производство и переработки некондиционного углеводородного сырья, к которому относится битум, парафин, торф, пиролизный газ, горючий сланец, древесные отходы, чернозем, включая бытовые отходы, в стране могут остаться нетронутыми разведанные запасы руды, нефти и газа.

Разработанный энергоблок, позволяет расширить возможности по извлечению из более широкого спектра сырья, водородного топлива. Водород при этом, возможно извлекать, как из различных углеводородов, так и из состава минералов руды. В состав минералов водород встраивается в виде ионов OH^-1, H₂O и H₃O⁺¹, образуя с другими химическими элементами кристаллическую решетку. [19] Особенно много водорода содержится в типичных “водных” минералах и осадочных глинистых породах. Распределение водорода в земной коре, сосредоточено в основном в гидросфере, при этом литосфера содержит водорода только в шесть раз меньше, где в осадочных породах водорода содержится почти половина от его содержания в литосфере, где осадочных пород около 10 %. Учитывая, что основной объём водорода входит в состав минералов и только 10 % его объёма в минералах связано с углеродом в органические соединения (углеводороды), то при использовании РУВЭ, для энергетической отрасли открываются большие перспективы по возможности извлечения топлива в виде водорода входящего в состав минералов руды. На сегодня топливная энергетика, для сжигания в основном использует традиционное углеводородное топливо, в виде газа, нефти и угля, не рассматривая руду в качестве источника топлива. Таким образом, появляется возможность заменить часть обычного традиционного топлива из углеводородов на водородное топливо, находящееся в руде. При использовании РУВЭ, водород, который извлекается из состава руды во время плавления минералов, будет замещать часть объёма водорода, который не потребуется вовлекать в шихту с углеводородами, следовательно, их количество в шихте будет уменьшаться.

Органических углеводородов, образующих все известные месторождения угля, нефти и газа Земли, по своей массе в тысячу раз меньше, чем углеводородов, рассеянных в осадочных породах. Следовательно, разработанный углеводородный энергоблок позволяет при плавлении шихты, куда входит осадочная порода, извлекать из её состава рассеянные углеводороды, которых по запасам в тысячу раз больше, чем углеводородов находящихся во всех месторождениях. С учётом того, что водорода не связанного с углеродом входящего в состав минералов литосферы в десять раз больше, чем его находится во всех углеводородных органических соединениях, эффективность использования РУВЭ становится ещё больше, так как это позволяет использовать водородное топливо, извлекаемое из породы, где его в десять раз больше, чем в традиционных углеводородах. Поэтому, если общих запасов водорода содержащегося в минералах в десять тысяч раз больше, чем в месторождениях традиционных углеводородов, то эти минералы следует рассматривать, как источник топлива. Таким образом, наладив извлечение водорода из минералов с помощью РУВЭ, открывается перспектива неограниченного по объёмам доступа к топливу, которым служит водород. Соответственно при организации нового предлагаемого производства, открывается перспектива неограниченного извлечения водорода из минерального сырья.

РУВЭ принципиально отличается от работы обычных электростанций, а так же металлургических и химических производств. На РУВЭ основная энергия производится за счет сжигания водорода в кислороде, полученных в результате процесса разделения соединений на составляющие и образования новых соединений, то есть конвертирования вещества шихты. Процесс конвертирования вещества шихты, где смешано множество различных химических элементов, производится отдельно от процесса сжигания водорода, где в процессе взаимодействия присутствуют только два химических элемента – кислород и водород. Поэтому данная схема позволяет с наименьшими энергозатратами разделять реагенты на составляющие, а в зоне горения водорода производить максимально возможное количество тепловой энергии. Конвертирование смеси состоящей из множества химических элементов осуществляется за счёт дугового нагрева создающего плазму поддерживающей процесс деления реагентов шихты. Это позволяет в ограниченном небольшом объёме создавать высокую концентрацию тепловой энергии с образованием потока излучения в виде элементарных частиц, позволяя энергоэффективно разрывать межатомномолекулярные связи в различных соединениях вещества. Процесс деления соединений, образующих вещество шихты, ускоряется не только за счёт облучения, но и проведения электролиза в расплаве шихты, а так же этот процесс может ускоряться под действием различных катализаторов находящихся в шихте или вводимых специализированных катализаторов в необходимом объёме в зону нагрева и плавления шихты. На РУВЭ осуществляются параллельные, но разделённые процессы выработки энергии и разделения химических веществ из смеси химических соединений.

Работа РУВЭ строится на том, что в одну точку пространства собирается различное по химическому составу вещество, где оно нагревается источником тепла в виде плазмы, независимым от химических реакций, которые протекают в веществе шихты. Это позволяет с наибольшей энергоэффективностью разделять смесь вещества на отдельные составляющие и химические элементы, производя водородное топливо и кислород, которые при сжигании производят наибольшее количество энергии, поддерживающей процесс деления реагентов шихты. Высокая температура нагрева, присутствие в разделяемой смеси катализаторов, создание разряжения, электролиза и облучения смеси разделяемого вещества потоком заряженных элементарных частиц плазмы, способствуют наиболее энергоэффективному делению вещества.

В результате этого процесса из начальной смеси вещества шихты с наименьшими энергозатратами извлекается максимально возможное количество топлива в виде водорода. Отделив от исходной смеси шихты водород и сжигая его в другой точке пространства РУВЭ, где в этом пространстве содержится только водород и кислород, будет произведено максимально возможное количество энергии. “Чистый” процесс сжигания позволяет производить наибольшее количество тепловой энергии, потому что в камере сгорания турбоустановки, присутствуют только два химических элемента, кислород и водород, где энергия не расходуется на побочные химические реакции с третьими химическими элементами. По этой причине в одной точке пространства РУВЭ концентрируется максимально возможное количество химических элементов, что позволяет их разделить под действием высокой температуры, облучения плазмой, катализа и электролиза на составляющие с минимальными энергозатратами, а в другой точке пространства концентрируется только, кислород и водород, за счет взаимодействия которых, без участия каких-либо третьих химических элементов, извлекается максимально возможное количество тепловой энергии. В процессе работы РУВЭ, образующийся углекислый газ служит технологическим сырьём в качестве плазмобразующегося газа и одновременно источником кислорода, используемого после распада углекислого газа для окисления водорода в камере сгорания турбины. Одновременно углекислый газ является источником углерода, активно участвующем в производственной схеме. Углерод служит связующим химическим элементом для удержания вокруг себя в соединении атомов водорода и кислорода, что позволяет создавать эффективный и технологичный энергоноситель метанол, который находится в жидкофазном состоянии.

Расходуемые электроды для плазмотрона прессуются из углерода, который после испарения с поверхности при плавлении, далее начинает учувствовать в различных химических реакциях, например, снижая энергозатраты при извлечении водорода из водных соединений.

Технологической особенность работы РУВЭ, является то, что необходимый для сжигания на турбине водород извлекается из метанола и воды только в нужный момент и в нужном объёме. Для утилизации тепла сбрасываемого с турбины в виде пара, применяется частично метанол, поступающий на паровую конверсию, который нагреваясь, от этого пара забирает часть тепла, а часть воды, выходящая с турбины, обеспечивает протекание этой конверсии. Данная схема работы РУВЭ позволяет до момента использования газообразного водорода, хранить его в безопасных соединениях метанола и воды. Для хранения газообразного водорода, требуется специализированное и дорогое оборудование с обеспечением системами безопасности.

Циклический возврат тепловой энергии на РУВЭ, от одного участка оборудования к другому, делают разработанный энергоблок энергосберегающим и энергоэффективным. Горение водорода вблизи горения плазмы, позволяет снимать тепло с пара после турбины, нагревая им шихту, идущую под плазму, а тепло с плазменного нагрева снимается оборотной водой, которая превращаясь в пар, отдаёт энергию на турбине, преобразуясь в электроэнергию затрачиваемую на образование плазмы.

Все современные электростанции, металлургические и химические производства, использующие сжигание топлива, не могут производить из сжигаемого сырья тепловую энергию в максимальном количестве и не могут полностью задействовать образующееся тепло на полезную работу, а следовательно не могут быть энергосберегающими и энергоэффективными. Поэтому, предлагаемое изобретение, в качестве РУВЭ можно рекомендовать для широкого применения в промышленности. Применение РУВЭ, может оказать положительный экономический эффект, не только в области энергетики, но и в области металлургии и химического производства. Особенно эффективно применение РУВЭ в горно-обогатительной области, где на дробление и измельчение руды, тратится до 20 % всей вырабатываемой электроэнергии. На РУВЭ руда, поступающая в шихту, не требует особо тонкого измельчения и после плавления автоматически сепарируется, обогащаясь по своему составу, что позволяет значительно экономить энергию, время производства и общие затраты на обогащение руды.

ЛИТЕРАТУРА

[1]. Osamu Odawara, Method for providing ceramic lining to a hollow body by thermit reaction. Patent US, no. 4363832, 1982.

[2]. В.А. Гармата, А.Н. Петрунько, Н.В. Галицкий, Ю.Г. Олесов, Р.А. Сандлер – Титан. М.: Изд-во “Металлургия”, 1983. (стр. 128÷212).

[3]. Ю.Н. Туманов – Плазменные и высокочастотные процессы получения и обработки материалов в ядерном топливном цикле: настоящее и будущее. – М.: Изд-во “ФИЗМАТЛИТ”, 2003г. (стр.295÷306).

[4]. В.А. Малаховский – Плазменные процессы в сварочном производстве: Учеб. пособие для сред. ПТУ. – М.: Изд-во “Высшая школа”, 1988. Стр. 29÷32.

[5]. В. Е. Парфенов, Н. В. Никитченко, А. А. Пименов, А. Е. Кузьмин, М. В. Куликова, О. Б. Чупичев, А. Л. Максимов – Пиролиз метана водородного направления: особенности применения металлических расплавов (обзор) / В. Е. Парфенов, Н. В. Никитченко, А. А. Пименов, А. Е. Кузьмин, М. В. Куликова, О. Б. Чупичев, А. Л. Максимов // Журнал прикладной химии. – 2020 – Т. 93. Вып. 5. (Стр. 611÷619).

[6]. Официальный сайт “N + 1” интернет-издание / Расплавы металлов разложили метан на углерод и водород без побочных продуктов [Электронный ресурс]. 2017. – Режим доступа: https://nplus1.ru/news/2017/11/22/methane-catalyst.

[7]. О.В. Крылов. Углекислотная конверсия метана в синтез-газ / О.В. Крылов. // Российский Химический журнал. – 2000. – Т. 44. № 1. (Стр. 19÷33).

[8]. Официальный сайт “ Vector-Study” [Электронный ресурс] / Производство метанола под давлением 5 МПа. – Режим доступа: https://vector-study.ru/library/tehnology/metanol/metanol-5mpa.html.

[9]. Диссертация. Гаранин Иван Владимирович. Высокотемпературные технологии производства электроэнергии на угольно-водородных энергетических комплексах и способы их практической реализации. Стр. 19÷20, стр. 20÷22, стр. 38.

[10]. Г.Ф. Быстрицкий – Общая энергетика (Производство тепловой и электрической энергии): учебник. – 2-е изд., стер. – М.: Изд-во “КНОРУС”, 2014. – стр. 103÷105; стр. 128÷132.

[11]. Ю.Н. Туманов. 2010 Плазменные, высокочастотные, микроволновые и лазерные технологии в химико-металлургических процессах. – М.: Изд-во “ФИЗМАТЛИТ”, 2010. – стр. 355÷359.

[12]. Junma Tang, Jianbo Tang, Mohannad Mayyas, Mohammad B. Ghasemian, Jing Sun, Md Arifur Rahim, Jiong Yang, Jialuo Han, Douglas J. Lawes, Rouhollah Jalili, Torben Daeneke, Maricruz G. Saborio, Zhenbang Cao, Claudia A. Echeverria, Francois-Marie Allioux, Ali Zavabeti, Jessica Hamilton, Valerie Mitchell, Anthony P. O'Mullane, Richard B. Kaner, Dorna Esrafilzadeh, Michael D. Dickey, Kourosh Kalantar-Zadeh. Liquid-Metal-Enabled Mechanical-Energy-Induced CO₂ Conversion // Advanced Material. 2022. Volume 34, issue 1. 2105789.

[13]. Официальный сайт “Альфапедия” [Электронный ресурс] / Реакция Будуара. – Режим доступа: https://alphapedia.ru/w/Boudouard_reaction.

[14]. Л.Г. Кесель, В.А. Милочкин, Б.А. Кесель – “Процесс получения метанола из природного газа под действием лазерного излучения” / Л.Г. Кесель, В.А. Милочкин, Б.А. Кесель // Электроника, фотоника и киберфизические системы. – 2022. – Т. 2, № 1. (Стр. 85÷92).

[15]. А.Е. Волков – Патент РФ №2524036 “Способ и устройство центробежного литья металла”, – С2 B22D 13/00, 28.10.2010.

[16] Волков А.Е. Патент РФ 2524036. Способ и устройство центробежного литья металла. Заявл. 28.10.2010. Опубл. 27.07.2014.

[17] Волков А.А. Патент РФ 2758609. Способ и устройство для плазмотермического центробежного восстановления и разделения химических веществ из руды в гравитационном поле. Заявл. 20.07.2020. Опубл. 01.11.2021.

[18] Кесель Л.Г., Милочкин В.А., Кесель Б.А. Процесс получения метанола из природного газа под действием лазерного излучения // Электроника, фотоника и киберфизические системы. 2022. Т. 2. № 1. С. 85–92.

[19] Молчанов В. И. – Генерация водорода в литогенезе. Новосибирск: Изд-во “Наука”, 1981. 142 с.

[20] Vladimir Alekseenko, Alexey Alekseenko. The abundances of chemical elements in urban soils // Journal of Geochemical Exploration. - 2014. - № 147 (B). - С. 245–249.

[21] Алексеенко В.А., Лаверов Н.П., Алексеенко А.В. Кларки химических элементов почв селитебных ландшафтов. Методика проведения исследований // Проблемы биогеохимии и геохимической экологии. - 2012. - № 3. - С. 120–125. - ISSN 1991-8801.

[22] Алексеенко В.А., Лаверов Н.П., Алексеенко А.В. К вопросу о содержании химических элементов в почвах селитебных ландшафтов // Школа экологической геологии и рационального природопользования. - СПб., 2011. - С. 39-45.

[23] Алексеенко В.А., Алексеенко А.В. Химические элементы в геохимических системах. Кларки почв селитебных ландшафтов. - Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2013. - 388 с. - 5000 экз. - ISBN 978-5-9275-1095-5.

[24] Алексеенко В.А., Алексеенко А.В. Химические элементы в городских почвах. - М.: Логос, 2014. - 312 с. -1000 экз. - ISBN 978-5-98704-670-8.

[25] Гречухин, В. А. Предпосылки к использованию глинистых минералов и органических веществ в качестве добавок в бетонные смеси / В. А. Гречухин, Г. Д. Ляхевич // Строительная наука и техника. - 2010. - № 3. -С. 48-51.

[26] Майданикa М.Н., Вербовецкий Э.Х., Туговa А.Н. Предварительная оценка возможности перевода котлов тепловых электростанций на сжигание альтернативного угля // Теплоэнергетика. 2021. № 9. С. 33–42.

[27] Макушев Ю.П., Полякова Т.А., Быков П.С. Расчетное и экспериментальное определение теплоты сгорания углеводородных топлив // Архитектурно-строительный и дорожно-транспортный комплексы: проблемы, перспективы, инновации. Омск: Изд-во СибАДИ, 2019. С. 163–168.

[28] Рудой В.И. Обзор малоизвестных методов распределения топлива между продуктами ТЭЦ // Молодой ученый. 2021. № 6 (348). С. 33–35.

[29] Официальный сайт “Авторский блог Алексея Зайцева” Математика Экономика Физика. Теплота сгорания метана, бутана и пропана. 2020. – Режим доступа: https://zaitcev.ru/spravochniki/teplota-sgoraniya-metana-butana-i-propana/. Дата обращения: 27 февраля 2024.

[30] Официальный сайт “Calc.ru” Калькулятор справочный портал. Теплотворная способность газообразных веществ. 2000-2023. – Режим доступа: https://www.calc.ru/127.html. Дата обращения: 27 февраля 2024.

[31] Официальный сайт “Internet Archive Wayback Machine”. Физические и термодинамические свойства некоторых неорганических веществ. 2018. – Режим доступа: https://web.archive.org/web/20180505070354/https://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/neorg/uchpos/text/simple7.html. Дата обращения: 27 февраля 2024.

[32] Официальный сайт “Internet Archive Wayback Machine”. Теплотворная способность различных видов топлива. Сравнительный анализ. 2014. – Режим доступа: https://web.archive.org/web/20140706204919/http://antonio-merloni.ru/teplotvornaja-sposobnost-razlichnyh-vidov-topliva. Дата обращения: 27 февраля 2024.

[33] Официальный сайт “NGE.RU” независимая торговая площадка по нефтепродуктам в России и СНГ. ГОСТ 5542-87 Газы горючие природные для промышленного и коммунально-бытового назначения. 2016. – Режим доступа: https://www.nge.ru/g_5542-87.htm. Дата обращения: 27 февраля 2024.

[34] Официальный сайт “Internet Archive Wayback Machine”. Удельная теплота сгорания топлива и горючих материалов. 2019. – Режим доступа: https://web.archive.org/web/20190322033308/http://thermalinfo.ru/eto-interesno/udelnaya-teplota-sgoraniya-topliva-i-goryuchih-materialov. Дата обращения: 27 февраля 2024.

[35] А.М. Прохоров. Физическая энциклопедия, Том 5. Стробоскопические приборы — Яркость. М.: Научное издательство “Большая российская энциклопедия”, 1999. 81 с. 692 с.

[36] Официальный сайт “Calc.ru” Калькулятор справочный портал. Теплота сгорания твердых и жидких веществ, МДж/кг. 2000-2023. – Режим доступа: https://www.calc.ru/126.html. Дата обращения: 27 февраля 2024.

[37] Ю. В. Максимук, З. А. Антонова, В. В. Фесько, В. Н. Курсевич. Вязкость и теплота сгорания дизельного биотоплива // Химия и технология топлив и масел. 2009. № 5. С. 27–30.

[38] Официальный сайт “Internet Archive Wayback Machine”. Обзор: Топлива. Высшая теплотворная способность - таблица. (Удельная теплота сгорания). Высшая / низшая теплотворная способность - пояснения. 2012. – Режим доступа: https://web.archive.org/web/20121103205927/http://www.dpva.info/Guide/GuidePhysics/GuidePhysicsHeatAndTemperature/ComnustionEnergy/FuelsHigherCaloricValues/. Дата обращения: 27 февраля 2024.

[39] Официальный сайт “Internet Archive Wayback Machine”. Удельная теплота сгорания топлива. 2008. – Режим доступа: https://web.archive.org/web/20081002060235/http://www.habit.ru/35/175.html

[40] М.Н. Гамрекели, П.С. Пургина. Энергетический потенциал процессов термической утилизации древесины / М.Н. Гамрекели, П.С. Пургина // Лесная наука в реализации концепции уральской инженерной школы: социально-экономические и экологические проблемы лесного сектора экономики Екатеринбург, 21 мая – 22 сентября 2019 года. 367-370 с.

[41] А.И. Перельман. Геохимия: Учебник. Изд. стереотип. – М.: Изд-во “ЛЕНАНД”, 2023. – 544 с.

[42] Enrico Catizzone, Aristide Giuliano, Diego Barletta. Waste-to-Methanol: Direct CO₂ Emissions Assessment for the Methanol Production from Municipal Waste-Derived Syngas // Chemical Engineering Transactions. 2021. Vol. 86. Pp. 511-516.

[43] Martin Haafa, Jochen Hilz, Antonio Unger, Jochen Ströhle, Bernd Epple. Methanol Production via the Utilization of Electricity and CO₂ Provided by a Waste Incineration Plant // 14th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, GHGT-14, 21st -25th October 2018, Melbourne, Australia.

[44] Тенденции в сталеплавильном производстве на основе водорода // Steel Times International Russian September 2019 – Вып. № 42.

[45] Седов И.В., Макарян И.А., Фокин И.Г. et al. Современные разработки в области прямого получения метанола из природного газа // Научный журнал российского газового общества. 2021. № 2 (30). С. 44–53.

[46] Волков А.Е., Волоков А.А. Производство металлов, неметаллов, энергии и энергоносителей методом плазменно-дугового электролитического центробежного конвертирования // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 4. С. 122–139.

[47] Афанасьев С.В., Гартман В.Л. Каталитическая конверсия оксида углерода первой и второй ступени // Деловой журнал Neftegaz.ru. 2021. № 7 (115). С. 28–34.

[48]. Г.Ф. Быстрицкий, Г.Г. Гасангаджиев, В.С. Кожиченков – Общая энергетика (Производство тепловой и электрической энергии). Учебник. – 2-е изд., стер. – М.: Изд-во “КНОРУС”, 2014. 408 c.

[49]. Волков А.Е., Волоков А.А. Производство металлов, неметаллов, энергии и энергоносителей методом плазменно-дугового электролитического центробежного конвертирования // Computational Nanotechnology. 2023. Т. 10. № 4. С. 122–139.

[50]. Xi Sun and Hui Li. Recent progress of Ga-based liquid metals in catalysis // RSC Adv., 2022, 12, 24946-24957.

Claims (19)

1. Способ производства энергии с помощью рудоуглеводородного энергоблока (РУВЭ) в автономном режиме, заключающийся в том, что плазмохимический нагрев шихты, куда входит кислород, углерод и водород, приводит к созданию водородного топлива, которое сжигается на электростанции в водородно-кислородной турбоустановке с парогенератором, сбрасывающей с паром тепловую энергию, нагревающую вещество окружающей среды, где вещество шихты переходит в газообразный и жидкофазный остатки, далее перерабатываемые на химическом и металлургическом производстве, отличающийся тем, что решение проблемы осуществляется путем совмещения энергетического, металлургического и химического оборудования в единый производственный комплекс, состоящий из связанных между собой участков, где переработка исходной шихты осуществляется за счёт энергии, вырабатываемой путём сжигания водорода в кислороде, извлекаемых из этой шихты, при этом излишняя тепловая энергия с энергетического участка перенаправляется на металлургический и химический, а от этих участков снова на энергетический участок, позволяя в несколько раз больше переработать сырья и произвести энергии.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в шихте, состоящей из смеси руды, углеводородов и воды, содержится кислород, углерод и водород в определенном соотношении, что позволяет из рудоуглеводородной шихты извлекать водородное топливо, которое сжигается в кислороде, так же произведённом из исходной шихты, где в камере сгорания турбоустановки, при сжигании присутствуют только два химических элемента, кислород и водород, поэтому энергия не расходуется на побочные химические реакции с третьими химическими элементами, что позволяет производить максимально возможное количество тепловой энергии, а пространство, где производится сжигание водорода, размещается вблизи пространства, где производится горение плазмы, за счёт вырабатываемой электроэнергии от сжигания водорода, в этом пространстве концентрируется максимально возможное количество различных химических соединений входящих в состав шихты, которые разделяются под действием высокой температуры, облучения плазмой, катализа и электролиза на составляющие с минимальными энергозатратами, при этом тепловая энергия, выделяемая после плазмохимической обработки вещества, передаётся оборотной воде, превращая её в пар, который поступает на турбину, а пар, сбрасываемый с турбины, передаёт тепло исходной шихте перед её плазменным нагревом.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что энергоэффективное деление соединений вещества смеси шихты происходит за счет каталитических процессов, где в качестве катализаторов выступают различные химические элементы и их соединения, входящие в состав исходной шихты, которые возобновляются за счет постоянного поступления в зону плавления, где одновременно протекают металлургические процессы восстановления различных металлов и неметаллов под действием восстановителей углерода, угарного газа и водорода, выделяемых из состава шихты, при этом процесс производства металлов и неметаллов протекает одновременно с процессами производства энергии и энергоносителя, позволяя снизить в несколько раз потребление энергии по сравнению с энергией, необходимой на проведение этих процессов раздельно.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для сохранения максимального количества энергии и предотвращения её потерь в окружающую среду процесс производства металлов, неметаллов, энергоносителя и энергии осуществляется одновременно на объединённом оборудовании, которое состоит из различных участков - металлургического, энергетического и химического, входящих в пространство контура, за который не сбрасывается какое-либо тепло, а обеспечение энергией всего процесса происходит за счет извлечения из шихты водорода и кислорода, которые сжигаются, образуя пар, вращающий генератор, вырабатывающий электроэнергию для поддержания горения плазмы, где углекислый газ служит плазмообразующим газом, который при взаимодействии с шихтой распадается на углерод и кислород, где кислород снова используется при сжигании водорода, а углерод снова идет на восстановление металлов и неметаллов, далее образуя различные соединения, из которых создаётся энергоноситель – метанол, где полная диссоциация углекислого газа в расплаве протекает с меньшими энергозатратами за счёт использования катализаторов, которые находятся в расплаве исходной шихты, а также при их недостатке поступают дополнительно, подаваясь отдельно в зону плавления.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что технологический процесс переработки шихты начинается с операции смешивания в определенном объёмном соотношении веществ руды, воды и углеводородов, где руда в основном содержит кислород, вода кислород и водород, а углеводороды в основном содержат в своём составе углерод и водород, для того, чтобы плазма, соприкасаясь с расплавом шихты и облучая различные соединения вещества, находящегося в зоне горения, ускоряла протекание реакций по распаду этих соединений с образованием газовой фазы, отделяемой от исходного вещества шихты путем испарения, с последующей сепарацией соединений с различной температурой кипения, а оставшаяся жидкая фаза вещества могла быть сепарируемая центробежным конвертированием, в случае нехватки в исходной смеси шихты заданного количества водорода в смесь добавляются дополнительные углеводороды, такие как торф, битум, мазут, парафин, горючий сланец и другие водородосодержащие вещества, с корректировкой объёма воды, а если в смеси недостаточное количество руды, содержащей кислород, в смесь добавляется песок, глина и другие минералы, а также кислородосодержащие шлаки от предшествующей плавки отходов, позволяя повторно вовлекать в плазмохимическую схему остатки тяжелых углеводородов и более стойких шлаков, при этом отдельные руды, содержащие углеводороды, углерод и водород в своём составе в определённом объёме, будут заменять в том же объёме водород и углерод, который необходимо замешивать в шихту с углеводородами и водой.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование реагентов начинается с взаимодействия смеси различных углеводородов и воды при нагреве в присутствии катализаторов, роль которых выполняют различные химические элементы, входящие в состав исходной шихты, что приводит к образованию синтез-газа, из которого производится метанол, с выделением тепловой энергии, которая расходуется на нагрев оборотной воды, что позволяет возвращать тепловую энергию в процесс для выработки электроэнергии на турбине, а при синтезе метанола в его состав поступает водород не только от распадающихся углеводородов, но и от воды, позволяя накапливать его в полтора раза больше, при этом параллельно протекает процесс паровой конверсии углерода, находящегося в составе шихты, позволяя увеличить объём образуемого синтез-газа, где водорода при синтезе метанола становится в два раза больше, а на следующей стадии при паровой конверсии метанола происходит извлечение водорода из соединений метанола и снова воды, позволяя в итоге по сравнению с водородом, содержащимся в исходных углеводородах, увеличить количество извлекаемого для сжигания водорода в три раза и соответственно больше произвести энергии, при этом прирост выработки дополнительной энергии происходит за счет применения операции плазменного облучения вещества исходной шихты потоком элементарных частиц, где под действием излучения плазмы возможно реализовать фотохимическую паровую конверсию метана, производимого из алифатических углеводородов, находящихся в шихте, где во время протекания реакции идёт не поглощение, а выделение энергии, что позволяет дополнительно вырабатывать определенный объем энергии, который может поставляться на рынок или направляться на производство полезной работы внутри рудоуглеводородного энергоблока.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что производит чистую воду из реагентов шихты, где треть объема воды образуется из переработанной воды, поступающей вместе с шихтой, а две трети образуются из кислорода, содержащегося в руде, и водорода, содержащегося в углеводородах, что позволяет использовать рудоуглеводородный энергоблок в качестве очистного сооружения для загрязненной воды, которая сбрасывается из жилых и производственных объектов, а также для очистки морской воды, включая её в состав исходной шихты, переработки токсичной и радиоактивной воды, которая при плазменной обработке, проходя через цепочку различных реакций на атомно-молекулярном уровне, разделяется на водород и кислород, впоследствии снова образуя воду, которая полностью освобождается от вредных примесей.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используется объединенная схема с типовой электростанцией АЭС, где принципиальная схема РУВЭ совмещена со схемой АЭС, представляя единую схему, где в качестве охлаждающей среды для пара, сбрасываемого с турбины, используется перерабатываемая шихта, а источником парообразования служит не только атомный реактор и камера сгорания для сжигания водородно-кислородной смеси, а также продукты плазмохимических реакций, металлургическое и химическое оборудование, за счет охлаждения которого нагревается и превращается в пар оборотная вода, позволяя добиваться более высокого КПД и более стабильной и ровной работы совмещенной электростанции, где при снижении потребления энергии внешним потребителем вся вырабатываемая энергия идет на производство метанола или другого энергоносителя (этанола, синтетического топлива, аммиака), в котором запасается энергия, а при повышении потребления энергии внешним потребителем к нему передаётся электроэнергия, вырабатываемая за счёт совмещенной схемы АЭС и РУВЭ, путём переработки и сжигания водородного топлива от запасенного метанола и воды.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в качестве совмещённой с РУВЭ электростанции используются электростанции, работающие на возобновляемых источниках энергии, такие как гидроэлектростанции (ГЭС), ветровые электростанции (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС), где РУВЭ полностью потребляет электроэнергию, поступающую с этих электростанций, перерабатывая её в энергоноситель, металлы и неметаллы, если данная энергия не требуется внешнему потребителю, а в случае, когда энергия требуется внешнему потребителю, начинает перерабатываться накопленный энергоноситель, вырабатывая необходимое количество электроэнергии, при этом продолжая восстанавливать металлы и неметаллы.

10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в качестве совмещённой с РУВЭ электростанции используются тепловые электростанции на возобновляемых источниках энергии, такие как гидротермальные электростанции и солнечные, воздушные, земляные и водные коллекторы, которые извлекают тепло для его поставки потребителю, где объединённая схема, состоящая из двух энергоблоков, преобразует тепловую энергию с возобновляемых электростанций в энергоноситель, когда эта энергия не требуется, а когда энергия требуется, произведённый энергоноситель перерабатывается в тепло и электроэнергию, направляемые внешнему потребителю, при этом продолжая восстанавливать металлы и неметаллы.

11. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в качестве совмещённой с РУВЭ электростанции используется тепловая электростанция ТЭС, где ранее используемое топливо - газ, уголь и мазут - включается в исходную шихту в качестве углеводородов, позволяя восстанавливать металлы и неметаллы и производить энергоноситель, включая производство технического углерода, который возможно использовать для изготовления электродов плазмотрона, строительства, электроники и повторного использования на этих электростанциях в качестве реагента, что приводит к полной замене ТЭС при выработке тепла и электроэнергии на рудоуглеводородный энергоблок, который позволяет в три-четыре раза больше вырабатывать энергии из углеводородного топлива.

12. Устройство производства энергии с помощью рудоуглеводородного энергоблока (РУВЭ), содержащее электростанцию, металлургический и химический участок, турбину, рудоуглеводородную шихту, плазменный реактор, аппарат синтеза метанола, источник питания, катод, анод, электроды, шахты, гарнисаж, электролизёр, синтез-газ, углеводороды: вода, углерод, шлаки, шихта, метанол, угарный газ; оборотную воду, пар, камеру сгорания, тигель, генератор, плазмотрон, плазму, конденсатор, теплообменники, насос, канал, ванну расплава, патрубки, сепаратор, реактор паровой конверсии метанола, трубопроводы, выпрямитель, замкнутый контур для сохранения энергии, отличающееся тем, что смесь шихты, состоящей из руды, воды и углеводородов, нагревается паром, сбрасываемым с турбины, который получен в камере сгорания, где нагревается оборотный пар за счёт сжигания водорода в кислороде, которые извлекаются из рудоуглеводородной шихты в ходе циклических реакций, а тепло, вырабатываемое на участках плазменного плавления и синтеза метанола, передаётся оборотной воде, образующей пар, который идет в камеру сгорания, при этом вырабатываемая электроэнергия поддерживает горение дуги на плазмотроне, а углекислый газ, проходя через дугу, формирует плазму, расплавляющую исходную шихту, образуя расплав, в котором углекислый газ в присутствии катализаторов за счёт электролиза и облучения диссоциирует на углерод и кислород, при этом углерод восстанавливает металлы и неметаллы, которые сливаются во вращающуюся турбину, где разделяются в объеме слитка по плотностям, а газовая фаза от расплава вещества отделяется путем испарения и далее сепарируется на составляющие соединения путем конденсации.

13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что разделение образуемых продуктов после плазмы происходит в сепараторе, где отделяемый синтез-газ сразу поступает в аппарат синтеза метанола на синтез метанола, выступающего энергоносителем, который для выработки энергии поступает в процессор, где, смешиваясь с частью пара, выходящего с турбины, в результате паровой конверсии метанола образует водород, который идет на сжигание в камеру сгорания, а образуемый углекислый газ идет на образование плазмы, где, проходя через ванну расплава, диссоциирует на углерод и кислород, который снова поступает на сжигание в камеру сгорания, при этом две трети части объема воды, полученной при конденсации после турбины, направляются вовне, а одна треть объёма воды идет на охлаждение плазменного реактора, аппарата метанола и продуктов реакций, образуя пар, который поступает в камеру сгорания, где сжигается водород и кислород, образуя высокотемпературный пар, вращающий турбину и генератор, вырабатывая электроэнергию, которая с выпрямителя поступает на плазмотрон, обеспечивая горение плазмы.

14. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что для снижения тепловых потерь, метанол перед паровой конверсией нагревается теплом пара, сбрасываемого с турбины, проходя через теплообменник, при этом рудоуглеводородный энергоблок размещается в замкнутом пространстве контура, за границу которого всё вещество входит и выходит при температуре окружающей среды.

15. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что проведение электролиза в расплаве шихты осуществляется за счет погружения в ванну расплава плазмотрона, выполняющего роль анода, при этом ванна расплава выполняет роль катода, к которой отрицательный заряд подводится через тигель от источника питания, где на дно ванны опускаются расплавы тяжелых металлов, выше их скапливаются более легкие металлы, а на поверхность ванны вытесняются наиболее стойкие шлаки, где электролиз осуществляется одновременно с процессом восстановления металлов под действием различных восстановителей, при этом ванна расплава окружена гарнисажем, в котором протекают предварительные реакции восстановления, являясь предварительной зоной нагрева, постоянно пополняясь веществом шихты, поступающей по центральной шахте, которая размещается внутри внешней шахты, где между шахтами образуется кольцевое пространство, через которое выходит поток синтез-газа, образованный в ходе каталитической паровой конверсии метана и углерода, который по кольцевому пространству уходит на сепарацию и далее на синтез в аппарат метанола, а вокруг плазмотрона, работающего анодом, формируется зона выделения газов, где в газовой смеси присутствует в основном кислород, образуемый в результате распада соединений расплава руды и углекислого газа, образуемый газово-кислородный поток, поднимаясь, откачивается через верхний патрубок, при этом тигель, являясь катодом, по своей границе с ванной расплава в ходе реакций и электролиза образует газово-водородный поток, который, поднимаясь, захватывается отбойником, отделяющим его от газово-кислородного потока, который откачивается через нижний патрубок и идёт на разделение в сепараторе, а далее произведённый водород и угарный газ идут на синтез метанола, водород, который снова выделяется во время паровой конверсии метанола, поступает на сжигание в камеру сгорания, куда также поступает кислород после отделения от других газов в сепараторе, для обеспечения процесса дополнительным водородным топливом и кислородом, реагенты, содержащие водород, кислород и углерод, в составе более стойкой руды, углеводородов, воды, угарного и углекислого, и других газов, включая природный газ и метан, а также твёрдых и жидких соединений, повторно через отдельный трубопровод поступают на преобразование в зону предварительного нагрева и далее в зону плавления.

16. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что во вращающейся турбине после слива порции расплава формируется кольцевой слиток, где послойно разделяются восстановленные металлы, такие, например, как медь, железо, алюминий или олово, при этом на внешнем контуре сосредотачиваются наиболее тяжелые металлы, имеющие наибольшую плотность, такие как золото, платина, серебро, вольфрам, молибден и другие, за ними идёт слой меди, относительно более легкой по плотности, а далее слой ещё менее плотного железа, в котором будут растворены родственные металлы типа никеля, хрома и кобальта, далее ближе к центру формируется слой наименее плотного алюминия, включающий родственные металлы, такие как скандий, титан и магний, при этом металлы, принадлежащие к группе железа, меди и алюминия, в условиях центробежного конвертирования не сплавляются между собой.

17. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что РУВЭ заменяет в качестве электростанции тепловые электростанции, где прямое сжигание углеводородного топлива в кислороде воздуха заменяется сжиганием водорода в кислороде, получаемых из компонентов шихты, при этом на первой стадии из шихты выделяется синтез-газ и восстанавливаются металлы, на второй стадии из реагентов синтезируется энергоноситель и на третьей стадии из энергоносителя извлекается водород, который используется в качестве топлива.

18. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что РУВЭ объединяется для выработки электроэнергии с энергоблоком АЭС, где в качестве охлаждающей среды для конденсатора турбины используется шихта, при этом источником пара для вращения турбины служит не только атомный реактор и камера сгорания для сжигания водородно-кислородной смеси, а также тепло от продуктов реакций металлургического и химического оборудования, где при отсутствии потребления электроэнергии потребителем вся вырабатываемая энергия идет на производство метанола или другого энергоносителя (этанола, синтетического топлива, аммиака), в котором запасается энергия, а при возобновлении энергопотребления электроэнергия вырабатывается за счёт запасенного метанола, где побочным эффектом выработки энергии на совмещённом энергоблоке является производство различных продуктов в виде металлов и неметаллов.

19. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что для извлечения синтез-газа используется плазмотрон, нагревающий исходную шихту с образованием ванны расплава, где ванна расплава окружена гарнисажем, который постоянно пополняется веществом исходной шихты и веществом реагентов, образующихся после плавления исходной шихты, которые через патрубок поступают повторно в зону плазменного нагрева, где шихта поступает по центральной шахте, размещённой внутри внешней шахты, образуя кольцевое пространство, при этом в центральной шахте имеются отверстия, через которые выходит поток синтез-газа, образованный в ходе каталитической паровой конверсии метана и углерода, который по кольцевому пространству уходит в аппарат синтеза метанола, а вокруг плазмотрона, работающего анодом, формируется зона выделения газов, где в основном составе присутствует кислород, образуемый в результате распада соединений расплава шихты и углекислого газа, создавая газово-кислородный поток, который поступает в сепаратор для отделения кислорода, направляемого в накопитель, откуда кислород идёт на сжигание водорода в камеру сгорания, а на границе тигля образуется газово-водородный поток, который, поднимаясь, захватывается отбойником, отделяющим его от газово-кислородного потока, и поступает в сепаратор для отделения водорода, направляемого для синтеза метанола.