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火药发电系统的研发及应用

范文

梅万伦

摘要：本文基于对火药性能，全套设备的理论研究和现场实践，提出一种用传统的火药原料经过优化合成。以硝酸、农作物秸秆和快速再生植物、稻壳、稻草、麦秸、玉米秸秆、棉花秆、木屑、竹屑、老旧森林报废代谢植物等做原料，为一种新能源，用于发电的应用系统。对火药发电技术的原料、设备设计、能量指标等进行分析论证，力求为火药发电系统提供有效的技术参数，为火药发电在实际应用中的推广做出技术参考。

关键词：火药；适时合成；塑化成型；燃烧转换、发电；系统设备

中图分类号：TQ565 文献标识码：A

火药是古老的发明，在枪、炮、火箭发射中是应用成熟的能源；还用于飞机起飞火箭的推进剂；驱动涡轮，推动活塞，剪切螺栓和金属线，推动火箭叶轮，开动导弹中的燃料泵，飞机的弹射座椅等。现代火药能量密度高，主要原料均为地表可再生资源。典型的常规火药是由多种原料经过理化组合而成。单质的原料在生产，运输，储藏过程中都是安定、普通的化工原料，它不具有危险性。

一、火药原料发电系统的基本原理

用于配置火药的单质原料在生产，运输，储藏过程中是安定、普通的化工原料，它不具有危险性，一旦合成具备可燃条件，经外力点燃它自身就能反应，化学能通过燃烧迅速而有规律地释放出来，生成大量高压高温燃气，其体积能增加万倍。燃烧反应速度与环境压力成正比，单位能量巨大，可以发出火药力280000kg·cm/kg～ 1204000kg·cm/kg、爆热720kcai/kg～1041kcai/kg、比容 280L/kg～830L/kg。将化工、理化合成、能量转换、发电等设备组合集成为一条联合系统；将安全的原料，适当少量按需要智能化合成为火药，由管道随流水线输送至燃烧器立即燃烧转换为高压高温气体，再将高压高温气体转换为动力发电；由于可燃火药成品储藏量小，完全可以保障全系统安全。主要原料是自然界中取之不尽用之不竭的可再生资源；是对废弃物或是用处不大的资源开发利用，是变废为宝、节约资源、开辟农作物副产物新用途径，可以清洁地球表面。受自然环境的影响较大，用本文提出的火药原料作燃料可以作为发电的新模式。

二、火药发电系统的构成

（一）主要原料

1.硝酸。双加压法从空气中提取，矿物质加工过程中的副产物可以获得硝酸。

2.植物纤维、木碳。用农作物秸秆和快速再生植物、稻壳、稻草、麦秸、玉米秸秆、棉花秆、木屑、竹屑、老旧森林报废代谢植物。

3.硝化甘油。化工合成。

4.硝酸钾。化工合成。

（二）发电系统设备

1.系统组成

硝化纤维素驱水机，缸式塑化机提升机、柱塞式压伸机、风力输送喷射器、转筒筛选机、浸水池、筒柱浇铸机、转筒预烘机、盆式烘干机、钝感光泽机、斜面筛选机、转筒二次烘干吸湿机、混合器、火药发电系统，主要由两大主机设备（轨迹轮机系统、发电系统）与三大辅助系统（原料制备系统、无害处理循环系统、控制系统）组成。

其项目工作系统框图如图1所示。

主要设备与结构简介：

（1）原料仓1：钢结构封闭式料仓，计量称，计量后原料进入螺旋输料管道。

（2）原料仓2：钢结构封闭式料仓，计量称，计量后原料进入螺旋输料管道。

（3）原料仓3：钢结构封闭式料仓，计量称，计量后原料进入螺旋输料管道。

（4）原料仓4：钢结构封闭式料仓，计量称，计量后原料进入螺旋输料管道。

（5）硝化纤维素驱水机，缸式塑化机提升机、柱塞式压伸机、风力输送喷射器、转筒筛选机、浸水池、筒柱浇铸机、转筒预烘机、盆式烘干机、钝感光泽机、斜面筛选机、转筒二次烘干吸湿机、混合器、拌混设备：玻璃钢材料，对计量后按比例进入此设备的原料进行拌混。

（6）计量传感控制系统：计算机编程控制计量称控制原料配比。

（7）燃烧冲击轮机：包括燃烧机和燃冲轮机。

（8）气力除尘、过滤除渣系统。

（9）冷却水循环。

（10）消声设备：排气消声设备。

（11）脱硝脱硫分离设备：废气冷却系统气体过滤。

（12）润滑系统：冷却系统循环泵冷却水循环系统。

（13）发电机设备、输変电设备。

2.主机设备设计构造

（1）轨迹轮机系统

轨迹轮机系统，包括燃烧机和冲击轮机。其中，燃烧机的一端与综合拌混机连接，另一端与冲击轮机连接，冲击轮机的另一端与发电输电系统相连接。将配置好的燃料按比例由电脑按各传感系统发出指令，进行综合匹配，生产出的所有成品立即循环送入燃烧机，燃燒机将不同数量、密度连续阶段性送往所设计指定的燃烧腔内在电火花、激光或撞击以及回火的作用下，迅速燃烧，所形成的高温高压气体和冲击波，对轨迹叶轮机进行冲击，在连续脉冲喷射力的作用下，轨迹叶片轮机输出旋转动力，带动发电机系统，对外输出电能，所述冲击轮机上有润滑系统和冷却循环系统。

（2）发电机系统

采用成熟的发电及输变电系统。包括发电机和输变电设备。其中，发电机一端与冲击轮机连接，另一端与输变电设备连接；除尘过滤系统包括并联的气力除灰系统和过滤除尘器；脱硫脱硝设备的一端与排气冷却系统连接，另一端与气体除尘过滤系统连接；控制系统包括与计量循环系统连接的信号传感器、中央处理器和执行机构；发电机与输变电设备之间设置一个冷却装置。

3.3个辅助系统设计构造

（1）原料制备，调节系统。原料制备系统，包括多个并排布置的原料储存仓，每一原料储存仓分别与综合拌混机连通；计量调节系统，与综合拌混机连接。

（2）无害处理循环系统。包括依次连接的排气冷却系统、消声系统、除尘过滤系统。

（3）控制系统，与所述原料储存仓以及计量调节系统连接；控制系统包括与计量循环系统连接的信号传感器、中央处理器和执行机构。

三、火药发电的实现

1.火药原料制备、混合料合成、工艺与设备；

2.火药原料发电系统发电流程；

3.工作原理

硝基新能源在一定的空间与可控燃烧过程能够高效地转换为有效功，推动轮机旋转带动发电机组，向外输出电能。

硝化反应自身能实现无氧燃烧，反应过程放热、高速释放的气体、联合冲击波能对冲击轮机进行冲击推动。冲击能量分别作用在各齿拉仑切面上和容积通道中，在含有压力的容积里，由于速度和加速度差，容积中的能量压力在调节器的作用下再次缓慢地对各齿状拉仑切面进行冲击，转换输出动能。

结语

采用该系统进行火药原料发电，实现了原料的实时配置和生产，原料实时配置前，不存在爆炸危险，让它短时间数量适当才成为可燃烧的火药，并立即燃烧转换为有效功率，其安全性和稳定性得到保障。根据需要调整火药燃烧产生的威力，做到安全控制，功能转化率达75%～86%。主要原料是自然界中取之不尽用之不竭的可再生资源；是对废弃物或是用处不大的资源开发利用；相对于用煤发电输出相同电量，二氧化碳排放量可以减少81%。二氧化硫排放量减少85%，氮氧化物排放量减少86%，PM2.5的排放量减少90%，VOC（挥发性有机化合物）的排放量减小91%。

目前，本系统已申请发明专利，专利名称：用火药进行发电的系统及方法，申请号201510434893.5，公开号CN105089783A进入实质审查阶段，制作了小功率样机。

综合评价，本技术切实可行，可成为新的发电模式，于实践中推广。

参考文献

[1]周起槐，任务正.火药物理化学性能[M].北京：国防工业出版社，2010.

[2]乌尔班斯基.T，孙荣康.火炸药的化学与工艺学[M].北京：国防工业出版社，1976.

[3]任全彬，胡建新，等.固体火箭冲压发动机燃烧基础[M].北京：国防工业出版社，2016..

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