МОДИФИКАТОР ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
SOLID FUEL MODIFIER AND ITS APPLICATION METHOD

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.
v
m
Добавляемые вещества классифицируются по агрегатному состоянию,  виду энергетической установки,  агрегатному состоянию топлива, в которые они вводятся;  по величинам энергоплотности (E), или массовой энергии атомизации (E), 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.
2
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 м 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.
2
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 м 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.
1
2
1
2
1
2
1
6
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 RRN(CO)NRR, где R, R являются одинаковыми или различными и представляют собой С-С 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. %.
5
7
2
3
Основным компонентом модификатора является ацетилацетонат железа (III), с формулой Fe(CHO)- 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.
х
у
х
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, СН, NO).
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;
5
7
2
3
vγ
3
3
- в процессе горения топлива в факеле ацетилацетонат железа разлагается в факеле таким образом, что первоначально ацетилацетонат Fe(CHO) 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/см, энергоплотность E = 78,42 кДж/см (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.
5
7
2
3
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(CHO) , 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..
vγ
2
2
3
3
4
2
3
2
3
2
3
3
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 = 75 кДж/см, плотностью не более 5,3 г/см,  а состав модификатора содержит следующие основные вещества  в масс.% :  SiO – 32 … 42;   MgO – 30…40;   FeO – 4 … 8;   FeO – 5…14;  AlO – 3 - 10;   CaO – 3…5; а также  TiO;   SO;  НО, 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.