使用Mg+CO2无气体产生燃料和氧化剂组合的闭式循环汽轮机装置

李大鹏，王臻



使用Mg+CO2无气体产生燃料和氧化剂组合的闭式循环汽轮机装置

李大鹏1，王臻2

(1.海军工程大学动力工程学院, 武汉 430033；2.海军大连舰艇学院外训系, 辽宁大连 112600)

外热源式AIP装置使用无气体产生燃料，可从根本上解决AIP装置燃烧产物气体排放问题，大幅度提高AIP潜艇隐蔽性。提出了使用Mg和CO2无气体产生燃料和氧化剂组合的闭式循环汽轮机装置，装置主要由Mg粉和CO2储存与供应系统、闭式循环汽轮机系统等2 个子系统组成，对系统运行和构成，以及存在的主要技术难点进行了研究。

无气体产生燃料 闭式循环汽轮机 AIP装置 Mg CO2

0 引言

对于外热源式AIP装置，燃烧和做功在不同设备中进行，因此可使用多种类型燃料，其中，以碳氢燃料，如柴油，最为方便和经济，但为保持潜艇隐蔽性，燃烧生成的气体产物排放是个难题[1]。

可利用Mg与CO2作为无气体产生燃料和氧化剂组合，利用其反应放出热量，作为闭式循环汽轮机AIP装置热源，反应无气体产生，反应产物可在艇上储存，可彻底解决气体反应产物排放问题，大幅提高潜艇隐蔽性。

1 Mg与CO2放热反应

Mg加工成粉末状颗粒，当压力、CO2浓度升高到一定程度时，Mg粉颗粒着火燃烧。Mg粉在CO2中的燃烧是气相燃烧[2,3,4]。燃烧过程中，表面和空间反应并存，燃烧产物为MgO和CO，CO会进一步与Mg反应生成MgO和C，这两种燃烧产物为固体炉渣。

Mg+CO2无气体产生燃料和氧化剂的性质见表1。

CO2的储存与制备技术非常成熟，可在潜艇上安全使用。应注意的是，Mg粉与CO2燃烧的二次反应产物中，包括有CO。在潜艇环境这样的封闭空间内，CO的泄露与扩散具有很大危险。可将CO采取燃烧的方式消耗掉，且燃烧放出热量可利用，这就需要潜艇自带O2。潜艇条件下O2储存和使用不存在任何问题。

使用Mg+CO2的无气体产生燃料和氧化剂组合的闭式循环汽轮机装置，主要由Mg粉和CO2储存与供应系统、闭式循环汽轮机系统等2 个子系统组成。

2 Mg粉和CO2储存与供应系统

Mg以粉末状在潜艇上储存，Mg粉具有一定的流动性。Mg粉可直接向企业采购。Mg粉装载、清空、储存和运输，遵守相应的工业标准和规范，使用惰性气体或CO2保护进行。

Mg粉储存在燃料柜中，由气力输送系统供应给闭式循环汽轮机装置燃烧室。

Mg粉应能在密闭的燃料柜内长期和安全储存，采用负压储存方案，从而避免火灾爆炸危险，且燃料不会老化。为此，使用CO2充填储存箱，以起到保护作用。负压由真空泵产生。

Mg粉的流化效果直接影响燃烧性能，从而影响闭式循环汽轮机装置性能。采用负压气力输送方案，真空泵产生负压，可有效保证Mg向舱室中泄露，避免火灾和爆炸危险。

输送给闭式循环汽轮机装置燃烧室的Mg粉浓度应稳定且均匀，以保证燃烧室中燃烧的稳定性、提高燃烧室燃烧效率和保证其使用寿命。

输送的Mg粉流量应可调节，能够保持稳定工况下的流量稳定，同时满足闭式循环汽轮机装置的启动和停止、稳定运行、工况和功率变换的要求。为此，设立Mg粉流量调节装置。

潜艇使用条件下，CO2以液态形式储存在气瓶中，经减压后气化，供给到Mg粉输送回路，并与Mg粉一并进入燃烧室。另有支路分别通Mg粉燃料柜、Mg粉储存箱和燃烧室。

Mg粉和CO2储存与供应系统见图1。

3 闭式循环汽轮机系统

闭式循环汽轮机系统采用双回路形式，分别为加热回路和蒸汽动力装置回路。见图2。

在加热回路中，Mg粉与CO2在燃烧室中燃烧放出大量热量，并被加热回路载热剂带走。载热剂可采用惰性气体。

为防止燃烧生成的气固两相混合燃烧产物进入分离器，对燃烧产物进行净化处理，以除去固态燃烧产物，固态燃烧产物进入炉渣热量回收器。

炉渣热量可回收利用。在炉渣热量回收器中，加热蒸汽动力装置回路的给水。炉渣最终进入炉渣收集箱。

加热回路载热剂进入蒸汽发生器，加热蒸汽动力装置回路的工质—水，产生高温高压蒸汽，水蒸汽进入汽轮机做功，做功后的乏汽在冷凝器中被冷凝成水，由给水泵打回蒸汽发生器，构成一个完整的蒸汽动力装置回路。

主冷凝器使用海水冷却。汽轮给水泵的汽轮机耗汽直接来自蒸汽发生器，转速可调节；也可使用电动给水泵。

Mg粉供应直接影响燃烧室中的燃烧，并进一步影响AIP装置总体性能。Mg粉与CO2燃烧可采用多种形式，可采用分层燃烧、沸腾层状燃烧、直接流动气流或包围气流中燃烧。燃烧需使用非常规设备，可使用多种型式的燃烧室。此类设备的制造可能需要非常规的技术加工手段，可借助计算和实验研究方法进行研究。

4 小结

使用Mg和CO2作为闭式循环汽轮机装置的无气体产生燃料和氧化剂，可从根本上解决AIP装置燃烧产物气体排放问题，大幅度提高AIP潜艇隐蔽性，具有良好的应用前景。

在潜艇条件下，使用Mg和CO2燃烧反应放出热量，作为闭式循环汽轮机装置热源，不存在不可克服的困难。其中，Mg粉供应是技术难点。

[1] 张晓东, 李大鹏. 闭式循环气轮机装置使用的无气体产生燃料[J]. 能源研究与信息, 2012，28(2): 120-124.

[2] 刘晶如, 罗运军. 固体推进剂用金属燃烧剂的研究及应用[J]. 化学推进与高分子材料, 2007，5(4): 6-9.

[3] 黄序, 罗智勋, 黄利亚, 胡建新. 氧化性气氛中镁颗粒燃烧特性研究进展[J]. 含能材料,2013，21(3): 379-386.

[4] 黄利亚. Mg粉基水冲压发动机内部燃烧过程与燃烧组织方法研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2010.

Closed-cycle Steam Turbine Plants Working with Mg and CO2 as No-gas Generation Fuel and Oxidant

Li Dapeng1，Wang Zhen2

(1. Naval university of engineering, Wuhan 430033, Hubei , China; 2. Naval Dalian Warship Institute, Dalian 112600, Liaoning , China)

U664

A

1003-4862（2015）01-0045-03

2014-06-05

教育部第47批归国留学人员科研启动基金，教外司留（2013）第1792号。

李大鹏（1972-），男，博士后。研究方向：舰船动力装置。