使用Mg+CO2無氣體產生燃料和氧化劑組合的閉式循環汽輪機裝置

李大鵬，王臻

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使用Mg+CO2無氣體產生燃料和氧化劑組合的閉式循環汽輪機裝置

李大鵬1，王臻2

(1.海軍工程大學動力工程學院, 武漢 430033；2.海軍大連艦艇學院外訓系, 遼寧大連 112600)

外熱源式AIP裝置使用無氣體產生燃料，可從根本上解決AIP裝置燃燒產物氣體排放問題，大幅度提高AIP潛艇隱蔽性。提出了使用Mg和CO2無氣體產生燃料和氧化劑組合的閉式循環汽輪機裝置，裝置主要由Mg粉和CO2儲存與供應系統、閉式循環汽輪機系統等2 個子系統組成，對系統運行和構成，以及存在的主要技術難點進行了研究。

無氣體產生燃料 閉式循環汽輪機 AIP裝置 Mg CO2

0 引言

對于外熱源式AIP裝置，燃燒和做功在不同設備中進行，因此可使用多種類型燃料，其中，以碳氫燃料，如柴油，最為方便和經濟，但為保持潛艇隱蔽性，燃燒生成的氣體產物排放是個難題[1]。

可利用Mg與CO2作為無氣體產生燃料和氧化劑組合，利用其反應放出熱量，作為閉式循環汽輪機AIP裝置熱源，反應無氣體產生，反應產物可在艇上儲存，可徹底解決氣體反應產物排放問題，大幅提高潛艇隱蔽性。

1 Mg與CO2放熱反應

Mg加工成粉末狀顆粒，當壓力、CO2濃度升高到一定程度時，Mg粉顆粒著火燃燒。Mg粉在CO2中的燃燒是氣相燃燒[2,3,4]。燃燒過程中，表面和空間反應并存，燃燒產物為MgO和CO，CO會進一步與Mg反應生成MgO和C，這兩種燃燒產物為固體爐渣。

Mg+CO2無氣體產生燃料和氧化劑的性質見表1。

CO2的儲存與制備技術非常成熟，可在潛艇上安全使用。應注意的是，Mg粉與CO2燃燒的二次反應產物中，包括有CO。在潛艇環境這樣的封閉空間內，CO的泄露與擴散具有很大危險。可將CO采取燃燒的方式消耗掉，且燃燒放出熱量可利用，這就需要潛艇自帶O2。潛艇條件下O2儲存和使用不存在任何問題。

使用Mg+CO2的無氣體產生燃料和氧化劑組合的閉式循環汽輪機裝置，主要由Mg粉和CO2儲存與供應系統、閉式循環汽輪機系統等2 個子系統組成。

2 Mg粉和CO2儲存與供應系統

Mg以粉末狀在潛艇上儲存，Mg粉具有一定的流動性。Mg粉可直接向企業采購。Mg粉裝載、清空、儲存和運輸，遵守相應的工業標準和規范，使用惰性氣體或CO2保護進行。

Mg粉儲存在燃料柜中，由氣力輸送系統供應給閉式循環汽輪機裝置燃燒室。

Mg粉應能在密閉的燃料柜內長期和安全儲存，采用負壓儲存方案，從而避免火災爆炸危險，且燃料不會老化。為此，使用CO2充填儲存箱，以起到保護作用。負壓由真空泵產生。

Mg粉的流化效果直接影響燃燒性能，從而影響閉式循環汽輪機裝置性能。采用負壓氣力輸送方案，真空泵產生負壓，可有效保證Mg向艙室中泄露，避免火災和爆炸危險。

輸送給閉式循環汽輪機裝置燃燒室的Mg粉濃度應穩定且均勻，以保證燃燒室中燃燒的穩定性、提高燃燒室燃燒效率和保證其使用壽命。

輸送的Mg粉流量應可調節，能夠保持穩定工況下的流量穩定，同時滿足閉式循環汽輪機裝置的啟動和停止、穩定運行、工況和功率變換的要求。為此，設立Mg粉流量調節裝置。

潛艇使用條件下，CO2以液態形式儲存在氣瓶中，經減壓后氣化，供給到Mg粉輸送回路，并與Mg粉一并進入燃燒室。另有支路分別通Mg粉燃料柜、Mg粉儲存箱和燃燒室。

Mg粉和CO2儲存與供應系統見圖1。

3 閉式循環汽輪機系統

閉式循環汽輪機系統采用雙回路形式，分別為加熱回路和蒸汽動力裝置回路。見圖2。

在加熱回路中，Mg粉與CO2在燃燒室中燃燒放出大量熱量，并被加熱回路載熱劑帶走。載熱劑可采用惰性氣體。

為防止燃燒生成的氣固兩相混合燃燒產物進入分離器，對燃燒產物進行凈化處理，以除去固態燃燒產物，固態燃燒產物進入爐渣熱量回收器。

爐渣熱量可回收利用。在爐渣熱量回收器中，加熱蒸汽動力裝置回路的給水。爐渣最終進入爐渣收集箱。

加熱回路載熱劑進入蒸汽發生器，加熱蒸汽動力裝置回路的工質—水，產生高溫高壓蒸汽，水蒸汽進入汽輪機做功，做功后的乏汽在冷凝器中被冷凝成水，由給水泵打回蒸汽發生器，構成一個完整的蒸汽動力裝置回路。

主冷凝器使用海水冷卻。汽輪給水泵的汽輪機耗汽直接來自蒸汽發生器，轉速可調節；也可使用電動給水泵。

Mg粉供應直接影響燃燒室中的燃燒，并進一步影響AIP裝置總體性能。Mg粉與CO2燃燒可采用多種形式，可采用分層燃燒、沸騰層狀燃燒、直接流動氣流或包圍氣流中燃燒。燃燒需使用非常規設備，可使用多種型式的燃燒室。此類設備的制造可能需要非常規的技術加工手段，可借助計算和實驗研究方法進行研究。

4 小結

使用Mg和CO2作為閉式循環汽輪機裝置的無氣體產生燃料和氧化劑，可從根本上解決AIP裝置燃燒產物氣體排放問題，大幅度提高AIP潛艇隱蔽性，具有良好的應用前景。

在潛艇條件下，使用Mg和CO2燃燒反應放出熱量，作為閉式循環汽輪機裝置熱源，不存在不可克服的困難。其中，Mg粉供應是技術難點。

[1] 張曉東, 李大鵬. 閉式循環氣輪機裝置使用的無氣體產生燃料[J]. 能源研究與信息, 2012，28(2): 120-124.

[2] 劉晶如, 羅運軍. 固體推進劑用金屬燃燒劑的研究及應用[J]. 化學推進與高分子材料, 2007，5(4): 6-9.

[3] 黃序, 羅智勛, 黃利亞, 胡建新. 氧化性氣氛中鎂顆粒燃燒特性研究進展[J]. 含能材料,2013，21(3): 379-386.

[4] 黃利亞. Mg粉基水沖壓發動機內部燃燒過程與燃燒組織方法研究[D]. 長沙: 國防科學技術大學, 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批歸國留學人員科研啟動基金，教外司留（2013）第1792號。

李大鵬（1972-），男，博士后。研究方向：艦船動力裝置。