Модификатор твёрдых топлив и способ его применения

Изобретение относится к модификации процессов горения топлив. Предложен модификатор твёрдых, жидких или газообразных топлив, характеризующийся тем, что в составе модификатора топлива для твёрдых топлив содержатся основные компоненты, вместе составляющие не менее 70% по массе, обладающие энергоплотностью не ниже E_vγ=75 кДж/см³, плотностью не более 5,3 г/см³, а состав модификатора содержит следующие основные вещества в мас.%: SiO₂ – 32 … 42; MgO – 30…40; Fe₂O₃ – 4 … 8; Fe₃O₄ – 5…14; Al₂O₃ – 3 - 10; CaO – 3…5; а также TiO₂; SO₃; Н₂О, содержание которых не превышает 1 мас.%; с крупностью частиц 20–40 мкм в пределах 80% по массе модификатора. Также раскрывается способ введения модификатора в топливо. Технический результат - разработка состава модификатора, который обеспечивает значительную прибавку теплотворной способности органическим топливам и повышает полноту сгорания топлива. 2 н.п. ф-лы, 2 пр.

 

Изобретение относится к способам получения тепловой энергии в энергетических установках, использующих твёрдое топливо, в частности, к способам организации выделения энергии из различных веществ.

Заявляемый модификатор твёрдых топлив относится к веществам, вводимым в состав традиционного органического топлива, с целью изменения параметров сжигания топлива.

В основу изобретения поставлена задача увеличения времени сгорания порции топлива с добавкой вводимого вещества, более полного сгорания основного органического топлива, получения дополнительной тепловой энергии.

В настоящее время в моторостроении и в энергетике, в частности, при получении тепловой энергии, развивается направление, связанное с добавлением в традиционные органические топлива различных веществ, обеспечивающих получение дополнительной энергии в акте сжигания топлива и другие эффекты, например, изменение состава выходящих газов.

В зависимости от вида добавляемого вещества при горении топлива могут реализовываться два варианта:

- первый вариант заключается в том, что добавляемое вещество является катализатором горения основного топлива, обеспечивая, за счёт протекающих химических реакций, более полный дожёг топлива, устранение детонации и пр.;

- второй вариант заключается в том, что добавляемое вещество само является источником энергии, в некоторых случаях, основным.

Добавляемые вещества классифицируются по агрегатному состоянию, виду энергетической установки, агрегатному состоянию топлива, в которые они вводятся; по величинам энергоплотности (E_v), или массовой энергии атомизации (E_m), которые характеризуют максимальную величину энергии в единице массы или объёма, теоретически извлекаемую из данного вещества (Зуев В.В., Денисов Г.А., Мочалов Н.А., Николайчук В.Ф., Щербатов А.И., Зуев Н.В. Энергоплотность как критерий оценки свойств минеральных и других кристаллических веществ. М.: ПолиМЕдиа 2000. 352с.).

Различают вещества, вводимые в жидкие моторные топлива (бензин, дизельное топливо), в твёрдые топлива (уголь, щепу, топливо реактивных двигателей), в газообразные топлива (природный газ), вводимые в котельные агрегаты и в замкнутые камеры сгорания двигателей. Различают также вещества твёрдые, например, полимерные химические соединения, горные породы; жидкие, например, вода; газообразные, например, водяной пар.

Вещества могут быть универсальными – для любых видов топлива, или для отдельных агрегатных состояний топлива.

Кроме этого, вещества могут применяться для энергоустановок с длительным временным интервалом горения топлива (котлы, печи..) или для энергоустановок с кратковременным интервалом горения топлива (двигатели различного типа), то есть различаться по длительности нахождения в зоне горения основного модифицируемого топлива.

Как показывает практика, на результаты модификации топлива существенно влияют такие факторы, как равномерность распределения модификатора по объёму топлива и длительность нахождения модификатора в зоне горения порции топлива. Данное обстоятельство делает необходимым при разработке вещества модификатора учитывать особенности процесса горения для различных видов топлива в энергоустановках, что приводит к техническим решениям, индивидуальным для данного агрегатного состояния топлива и способа его применения.

Известен патент RU 2011116 «Способ слоевого сжигания твёрдого кускового топлива». Изобретение относится к энергетике, а точнее к процессам сжигания твердых топлив с уменьшением образования сажи.

Использование: в топках для сжигания кускового твердого топлива. Сущность изобретения заключается в том, что на раскаленную поверхность твердого топлива периодически подают поваренную соль в кристаллическом виде в количестве 7 - 8 г на 1 м² зеркала горения.

Данное решение усовершенствует известный способ сжигания угля в присутствии присадки поваренной соли, применяемой в водном растворе (Патент США N 4765259, кл. 110-342, опублик. 1988). При использовании поваренной соли в водном растворе наблюдается периодическое снижение температуры зоны горения топлива при подаче новых его порций, вызываемое воздействием воды на топлива, что приводит к периодическому увеличению содержания сажи в отходящих газах.

В связи с этим с целью повышения качества сжигания топлива способ использования поваренной соли в данном изобретении ограничен твёрдыми топливами.

В заявляемом способе для твёрдого топлива поваренную соль подают в топку на горящее (раскаленное) топливо в кристаллическом виде периодически в количестве 7-8 г на 1 м² зеркала горения, при этом в слоевую топку для сжигания каменного угля, кокса, дров и других твердых топлив на раскаленное топливо забрасывают с рассеиванием по "зеркалу" горения порцию кристаллической поваренной соли. Следующую порцию добавляют при снижении дополнительного конуса пламени от предыдущей порции (на прогаре).

Приводится пример использования в котлах системы "Стребель" с топливом в виде - антрацит-штыб, в ходе которого поваренная соль добавлялась через 5 мин в количестве 30 г на 1 порцию, при этом через 1 ч 30 мин температура теплоносителя увеличилась на 26оС, а трудозатраты по обслуживанию котла сократились на 50% за счет уменьшения вдвое расхода топлива, уменьшения объема шлака в 2,5 раза и уменьшения количества шуровок. Выделение сажи с дымом не происходило (достигнута полнота сгорания топлива). При этом указание названия вещества «поваренная соль» позволяет однозначно определить его физико-механические характеристики по известным источникам. Например, природный минерал галит, который служит основой для поваренной соли массовая энергия атомизации составляет Em = 10,97 кДж/г, плотность - 2,16 г/см3, энергоплотность Evγ = 23,70 кДж/см3, то есть данное вещество относится к низкоэнергоплотным веществам. (Зуев В. В., Денисов Г. А., Мочалов Н. А. и др. Энергоплотность как критерий оценки свойств минеральных и других кристаллических веществ. – М.: Полимедиа, 2000). Эффект же получается из-за постоянного введения модифицирующего вещества мелкими порциями.

Недостатками заявленного способа являются:

- слишком большой расход вводимого вещества для получения эффекта;

- ручной способ введения поваренной соли в топлива, , что делает его применимым в небольших топочных агрегатах типа домашних печек.

Известен патент RU 2515988 «Модификатор горения твёрдого, жидкого и газообразного топлива». В способе, согласно изобретению, композицию, содержащую модификатор, с помощью насоса-дозатора подают в систему нагнетания воздуха, не влияя на температуру, подаваемого воздуха. Модификатор в виде водного раствора дозированно подают путем распыления в воздухе, засасываемом в котел, а затем закачивают в камеру сгорания. В случае применения холодного воздуха его нагнетают с помощью инжектора, тогда как в случае горячего воздуха применяют соответствующий испаритель, из которого модификатор испаряется в потоке горячего воздуха и засасывается в систему сгорания котла.

По данному изобретению модификатор горения твердого, жидкого и газообразного топлива, в частности древесины, природного газа, угля, мазута и других углеводородов, в энергетических котлах, в закрытых или открытых камерах, характеризуется тем, что указанный модификатор содержит от 10 до 30 масс.% воды, от 20 до 80 масс.% по меньшей мере одного алифатического спирта, от 5 до 15 масс.% карбамида или его производных, выбранных из алкилмочевины типа R₁R₂N(CO)NR₁R₂, где R₁, R₂ являются одинаковыми или различными и представляют собой С₁-С₆ алкильные группы, и от 5 до 15 масс.% моноацетилферроцена.

Объектом изобретения также является способ модифицирования процесса горения вышеуказанных видов топлива и применение модификатора горения топлива. Заявленное изобретение позволяет увеличить выход энергии при горении твердого, жидкого и газообразного топлива. Модификатор можно также применять в качестве катализатора в энергетических котлах, для дожигания сажи, печных газов и других примесей, присутствующих в камере сгорания.

По данным авторов прирост теплоты основного топлива при использовании водного раствора модификатора следующего состава: 20 масс.% воды, 30 масс.% изопропанола, 30 масс.% н-бутанола, 10 масс.% карбамида и 10 масс.% моноацетилферроцена составил по меньшей мере 1890 кДж/т угля (1,890 Дж/г), по сравнению с процессами горения угля без применения модификатора (в среднем, 11% увеличения теплотворной способности топлива). Приводятся также данные по теплоте сгорания модификатора – 8,2835 МДж/кг (кДж/г) и температура воспламенения – 55°С.

Недостатками способа являются:

- данные по теплоте сгорания модификатора и температуре воспламенения показывают, что энергоплотность данного вещества является низкой и, в следствие низкой температуры воспламенения, модификатор предназначен в основном для стимуляции горения основного топлива, что подтверждается незначительной дополнительной величиной прироста теплоты сгорания основного топлива (1,890 Дж/г);

- модификатор представляет собой смесь жидких веществ, что снижает его универсальность;

- составные вещества модификатора, в частности, моноацетилферроцен, в основном обеспечивают улучшение детанационных свойств топлива, а получение дополнительной энергии является побочным эффектом.

- необходимость подбирать концентрации компонентов в зависимости от используемого топлива и конструкции энергетической установки;

- ввод модификатора через систему нагнетания воздуха, что не позволяет контролировать наличие модификатора в зоне горения и создаёт возможности его преждевременного удаления из котла с уходящими газами.

Известен патент RU 2705209 Модификатор горения топлива.

Задачей данного изобретения является разработка эффективного модификатора горения топлива разного агрегатного состояния (твердого, жидкого или газообразного), различного состава и происхождения (в частности, угля, природного газа, древесины, дизельного топлива, мазута, растительных и органических отходов), обеспечивающего высокотемпературное сжигание топлива и детоксикацию отходящих газов.

Технический результат данного изобретения заключается в повышении температуры горения твердого, жидкого или газообразного топлива при уменьшении количества токсичных веществ в отходящих газах процесса горения топлива, что позволяет увеличить полноту сгорания твердого топлива, приводит к уменьшению механического недожога. При сжигании природного газа увеличивается теплоотдача, исключается образование токсичных оксидов азота, углерода и предотвращается сажеобразование.

Данный технический результат достигается тем, что модификатор горения твердого, жидкого или газообразного топлива, включающий катализатор горения и органический растворитель, в качестве катализатора горения содержит ацетилацетонат железа (III), а в качестве органического растворителя – этанол, при следующем соотношении компонентов, масс. %: ацетилацетонат железа (III) 3-10; органический растворитель 90-97. Кроме того, модификатор может содержать воду в количестве до 5 масс. %.

Основным компонентом модификатора является ацетилацетонат железа (III), с формулой Fe(C₅H₇O₂)₃ - внутрикомплексное соединение, которое в условиях горения топлива разлагается в присутствии кислорода воздуха с образованием оксида железа (III).

Предлагаемый по заявляемому решению способ получения ацетилацетоната железа (III) - путем взаимодействия растворимой в воде соли железа с ацетилацетоном и эквимолекулярным количеством аммиака в водной среде с последующим выделением целевого продукта фильтрацией и перекристаллизацией (А.с. №330746). Реакцию желательно вести в 1М растворе соли металла при соотношении исходных компонентов: ацетилацетон, соль металла и аммиак 2: 1: 2. Наиболее часто используют соли сильных кислот (например, азотной – шестиводный нитрат железа), в случае которых достигаются лучшие выходы.

Непосредственно способ получения модификатора заключается в растворении ацетилацетоната железа (III) в количестве 3-10 % масс. в этаноле, взятом в количестве 90-97 % масс.

Наилучшего результата в повышении температуры горения твердого (на 200°С для угля) или газообразного топлива (на 150°С для газа) при уменьшении количества токсичных веществ в отходящих газах процесса горения топлива удалось достигнуть при содержании 3-10 масс. % ацетилацетоната железа (III) в органическом растворителе за счет увеличения глубины использования энергетического потенциала топлива путем каталитического превращения промежуточных компонентов генераторного газа (СО, С_хН_у, NO_х).

В лучшем варианте теплота сгорания топлива, вычисленная по повышению температуры, увеличивается на 13,3% для угля и на 9,3% для газа при снижении оксидов азота и углерода в выходящих газах ниже предельно-допустимых значений.

Недостатками данного способа являются:

- необходимость отдельного производства основного компонента модификатора;

- в процессе горения топлива в факеле ацетилацетонат железа разлагается в факеле таким образом, что первоначально ацетилацетонат Fe(C₅H₇O₂)₃ разлагается с образованием газообразных соединений и FeO в качестве конечного продукта, причём оксид железа в процессе горения участвует только в последней стадии, внося незначительный вклад в добавочное тепловыделение. При этом получающийся FeO, вследствие образования в высокотемпературном факеле, имеет низшую структурную фазу по сравнению с природным аналогом – вюститом, имеющим следующие энергетические параметры: Em = 13,07 кДж/г, плотность - 6,0 г/см³, энергоплотность E_vγ = 78,42 кДж/см³ (Зуев В. В., Денисов Г. А., Мочалов Н. А. и др. Энергоплотность как критерий оценки свойств минеральных и других кристаллических веществ. – М.: Полимедиа, 2000), а, следовательно, и более худшие характеристики;

- в целом модификатор оказывает влияние в основном на дожог топлива и состав выходящих газов, давая небольшую прибавку тепловыделения (10 – 13%).

- отсутствуют данные о способе введения модификатора в зону горения топлива; исходя из агрегатного состояния модификатора можно полагать, что он вводится распылением.

Таким образом, из приведённых выше аналогов видно, что заявляемые модификаторы имеют органическую основу с включением в неё ряда металлов; органические вещества имеют низкие величины энероплотности и массовой энергии атомизации, не превышающие таковые у основного топлива и создающие дополнительное тепловыделение и изменяющие структуру выходящих газов в основном за счёт более полного сгорания топлива, обеспечиваемого химическими реакциями входящих в модификаторы веществ.

В качестве прототипа выбран модификатор горения топлива по патенту №2705209. По данному техническому решению модификатор горения твердого или газообразного топлива включает катализатор горения и органический растворитель, отличающийся тем, что в качестве катализатора горения содержит ацетилацетонат железа (III) - Fe(C₅H₇O₂)₃ , а в качестве органического растворителя – этанол при следующем соотношении компонентов, мас.%: аацетилацетонат железа (III) 3-10; Органический растворитель 90-97.

Прототип, как и другие аналоги, имеет вышеперечисленные недостатки:

- необходимость отдельного производства основного компонента модификатора;

- в процессе горения топлива в факеле основной эффект в виде дожога топлива и улучшения состава выходящих газов даёт разложение ацетилацетоната железа до газообразных соединений с топливом и низших фаз FeO, которые в тепловом балансе принимают незначительное участие;

- модификатор даёт небольшую прибавку тепловыделения (10 – 13%).

- отсутствуют данные о физико-механических параметрах вещества модификатора;

- модификатор подаётся способом, не обеспечивающим максимальную эффективность его применения.

Однако в энергетической сфере остро стоит задача повышения эффективности модификаторов с целью снижения расхода традиционных топлив и затрат на его транспортировку потребителям, улучшения экологических параметров.

Прототип, имея традиционный органический состав, не может кардинально решить поставленную задачу.

В основу изобретения поставлена задача нахождения и подбора состава из высокоэнергоплотных веществ, который будучи помещён в факел горящего топлива значительно поднимет энергоэффективность системы «топливо любого вида – модификатор», обеспечив дополнительную тепловую энергию и экологические требования к выходящим газам и способа введения модификатора в твёрдое топлив, обусловленного агрегатным состоянием топлива.

Технический результат - состав модификатора из компонентов, обладающих высокой энергоплотностью, при совместном применении модификатора и органических топлив дающего значительную прибавку теплотворной способности смеси за счёт дополнительно получаемой энергии и повышения полноты сгорания традиционного топлива и способ применения модификатора, отвечающий условиям горения твёрдых топлив..

Технический результат обеспечивается тем, что в составе модификатора топлива для твёрдых, жидких и газообразных топлив содержатся основные компоненты, вместе составляющие не менее 70% по массе, обладающие энергоплотностью не ниже E_vγ = 75 кДж/см³, плотностью не более 5,3 г/см³, а состав модификатора содержит следующие основные вещества в масс.% : SiO₂ – 32 … 42; MgO – 30…40; Fe₂O₃ – 4 … 8; Fe₃O₄ – 5…14; Al₂O₃ – 3 - 10; CaO – 3…5; а также TiO₂; SO₃; Н₂О, содержание которых не превышает масс 1%;, с крупностью частиц 20 – 40 мкм в пределах 80% по массе модификатора,

а способ введения модификатора твердых топлив в топливо заключается в равномерном введении модификатора по объему топлива, осуществляемом непосредственно перед вводом твердого топлива в котел посредством смесителей, устанавливаемых в линию подачи топлива, ввод в которые модификатора обеспечивается дозаторами или осуществляемом заранее при приготовлении угольных брикетов или брикетов из древесного топлива».

Примеры реализации.

Пример 1 Испытание в котле угольной котельной "Лотос – 1,5", работающего на углях марки СС с теплотворной способностью 4200 ккал. Модификатор – указанного состава с заявляемыми характеристиками. Способ применения - перемешивание модификатора с топливом в смесителе перед его загрузкой.

При горении модифицированного угля с концентрацией модификатора 0,06% -0,07% от массы топлива суммарное время горения порции модифицированного топлива при сохранении начальной и конечной температур теплоносителя увеличилось в 1,34 раза по сравнению с временем горения чистого угля при некотором повышении промежуточной температуры.

Пример 2 Испытание при сжигании щепы.

Сжигание щепы в бытовом котле 3 кВт для обогревания жилого дома. Топливо - щепа древесная с теплотворной способностью Q = 15 кДж/г Концентрация модификатора 0,07% - 0,1% от массы топлива. Суммарное время горения порции модифицированного топлива при сохранении начальной и конечной температур теплоносителя увеличилось в 1,66 раза по сравнению с временем горения чистой щепы. Способ применения - перемешивание модификатора с порцией щепы в смесителе перед её загрузкой. С обеспечением наибольшей равномерности распределения модификатора по объёму.

Приведённые примеры показывают, что заявленный способ позволяет получать значительную дополнительную величину энерговыделения от модифицирования твёрдого органического топлива модификатором с заявляемым составом при заявленном способе применения модификатора.

1. Модификатор твёрдых, жидких или газообразных топлив, отличающийся тем, что в составе модификатора топлива для твёрдых топлив содержатся основные компоненты, вместе составляющие не менее 70% по массе, обладающие энергоплотностью не ниже E_vγ=75 кДж/см³, плотностью не более 5,3 г/см³, а состав модификатора содержит следующие основные вещества в мас.%: SiO₂ – 32 … 42; MgO – 30…40; Fe₂O₃ – 4 … 8; Fe₃O₄ – 5…14; Al₂O₃ – 3 - 10; CaO – 3…5; а также TiO₂; SO₃; Н₂О, содержание которых не превышает 1 мас.%; с крупностью частиц 20–40 мкм в пределах 80% по массе модификатора.

2. Способ введения модификатора твердых топлив по п.1 в топливо, заключающийся в равномерном введении модификатора по объему топлива, осуществляемом непосредственно перед вводом твердого топлива в котел посредством смесителей, устанавливаемых в линию подачи топлива, ввод в которые модификатора обеспечивается дозаторами, или осуществляемом заранее при приготовлении угольных брикетов или брикетов из древесного топлива.