Модификатор горения твердого топлива
MODIFIER OF SOLID FUEL COMBUSTION

Изобретение относится к области химии, в частности к процессу горения твердого топлива. Модификатор предназначен для повышения реакционной способности топлива и активации процесса его горения в камерах сгорания энергетических котлов.
Известен модификатор горения топлива [RU 2515988 С2, кл C10L 10/00, C10L 1/10, C10L 1/18, C10L 1/222, C10L 9/10, C10L 3/00, C10L 3/00, опубл. 20.05.2014] для энергетических котлов, характеризующийся содержанием 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 и от 5 до 15 масс. % моноацетилферроцена.
Недостатками данного состава являются:
- большое количество компонентов, что затрудняет технологический процесс топ-ливоподготовки;
- возможность подачи топлива только методом распыляемого потока.
Известен модификатор горения топлива [RU 2674011, кл. C10L 1/00, C10L 1/30, C10L 5/00, C10L 3/00, опубл. 04.12.2018 г.], состоящий из катализатора горения (дицикло-пентадиенилтрикарбонил марганца) и органического растворителя (метилбензол). Состав катализатора горения и органического растворителя составляет 5-20 и 80-95 масс. % соответственно.
Недостатком данного состава является необходимость использования катализатора горения в больших массовых содержаниях.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является модификатор горения -катализатор глубокого окисления [RU 2577253, кл. B01J 23/72, B01J 23/75, B01J 23/26, B01J 21/14. C10K 3/04, опубл. 10.03.2016], выполненный на основе переходных оксидов металлов или их смеси, нанесенных на оксидный носитель. Катализатор предназначен для глубокого окисления СО и органических веществ (твердых топлив). Модификатор готовится путем пропитки солями переходных металлов оксидного носителя с последующей сушкой и прокалкой. В качестве оксидного носителя используют гранулы пропанта, состоящего из кварца и силикатов магния, или его модификаций. Интенсификация процесса окисления достигается за счет высокой активности оксидов переходных металлов.
Недостатком данного способа является обеспечение динамической системы преобразования твердого топлива по типу кипящего слоя для интенсивного взаимодействия топлива с катализатором.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении реакционной способности топлива, выраженной в снижении минимальной температуры зажигания, времени задержки зажигания и повышении скорости реакции процесса горения в зависимости от степени углефикации топлива.
Указанный технический результат достигается тем, что модификатор горения твердого топлива выполнен в виде состава на основе ацетата меди, ацетата железа и оксида церия при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Ацетат меди (Cu(СН<sub>3</sub>СОО)<sub>2</sub>)
35-45
Ацетат железа (Fe(CH<sub>3</sub>COO)<sub>2</sub>)
50-60
Оксид церия (СеО<sub>2</sub>)
5
3
2
3
2
2
Использование добавок в виде предшественников оксидов железа и меди в виде Fe(СНСОО) и Cu(СНСОО), а также оксида церия СеО позволяет интенсифицировать зажигание и последующее горение твердых топлив. Чем выше степень углефикации твердого топлива (каменный уголь марки Т, антрацит или кокс) тем эффективнее добавки воздействует на его реакционную способность.
Предлагаемый модификатор позволяет увеличить полноту выгорания твердого топлива, приводит к уменьшению механического недожога и исключает использование дополнительно подсвечивающего топлива, а также снижает содержание токсичных оксидов азота за счет снижения температуры горения.
Термическая деструкция моногидрата ацетата железа и меди в кислородсодержащей среде сопровождается потерей воды при ~ 130°С с последующим разложением соли в интервале 220-300°С. Первичные газофазные продукты разложения ацетата (пары ацетона, ацетальдегида и уксусной кислоты) при взаимодействии с кислородом воздуха окисляются в углекислый газ и воду.
Реакции окисления газофазных продуктов разложения ацетата железа и меди являются экзотермическими, в результате чего выделяется дополнительная теплота, способствующая более ранней термодеструкции частиц твердого топлива.
Далее образуются оксиды меди и железа, которые активируют процесс окисления на последующих этапах горения твердого топлива. В свою очередь оксид церия выступают усилителем окислительного процесса образующихся оксидов после разложения ацетата.
Пример осуществления изобретения:
Использование модификатора горения в виде ацетата меди и железа, а также оксида церия в количестве 2 масс. % твердых топлив (каменный уголь, антрацит, полукокс) осуществлялось методом механического смешения в керамической ступке. Перед смешением твердое топливо фракционировалось на ситах с размером ячеек менее 80 мкм.
Методом EDX картирования было установлено, что данный метод позволяет обеспечить равномерное распределение добавки в образце. С помощью элементного анализатора (CHNS) было установлено, что введение добавки в количестве 2 масс. % в состав твердых топлив приводит к увеличению соотношения элементов О/С и Н/С в среднем в 2,2 и 1,5 раза соответственно. Также после разложения добавки в процесс сжигания твердого топлива, содержание золы увеличивается на 0,5 мас. %, что связано с образованием дополнительных оксидов металлов.
Исследование реакционной способности используемого модификатора горения проводилось с помощью синхронного термического анализатора STA 449 С Jupiter (Netzsch, Германия). Эксперименты были проведены при атмосферном давлении. Образцы массой ~15 мг подвергались нагреванию в корундовом тигле с перфорированной крышкой в интервале температур 25-1000°С при скорости нагрева 10°С/мин. В качестве окислительной среды использовали смесь воздуха (60 мл/мин) и азота (10 мл/мин). Азот использовался в качестве защитного газа для обеспечения надежной работы анализатора и корректной регистрации полученных данных.
С помощью камеры сгорания и использования высокоскоростной видеосъемки Photron Fastcam SA4 (максимальная скорость съемки 3600 кадров в секунду при полном разрешении 1024×1024 пикселей, размер пикселя 20×10-6 м, глубина цвета 12 бит) было изучено влияние модификатора на процесс горения твердых топлив с различной степенью углефикации. Для исследования использовались образцы массой ~0,1±0,01 г, которые перед подачей в терморегулируемую печь укладывались в цилиндрическую форму. Далее форма удалялась поступательным движением вверх, в результате чего формировалась конусообразная насыпка. Методика исследования процессов зажигания и горения исследуемых образцов углей и полукоксов включала несколько этапов. В терморегулируемой печи устанавливалась требуемая температура греющей среды (в интервале 600-800°С, с промежуточным шагом 50°С), регистрируемая хромель-алюмелевой термопарой. Топливная навеска помещалась на держатель координатного механизма, ход которого калибровался по заданной координате в центр камеры сгорания и приводился в действие с помощью PC. Одновременно с началом движения штока с топливной насыпкой в сторону камеры сгорания проводилась видеофиксация. Уходящие через систему приточной вентиляции газы фиксировались с помощью поточного газоанализатора.
Временем задержки зажигания считалось время от момента входа держателя с топливной насыпкой в фокус камеры до начала образования видимого свечения поверхности топлива, что соответствовало началу процесса горения.
Высокоскоростная видеосъемка показала, что процесс горения твердых топлив с модификатором сопровождается образованием микровзрывов, которые в свою очередь способствуют разрыхлению поверхности плотного слоя топлива, что позволяет снизить диффузионный барьер при взаимодействии окислителя и угольного вещества.
Увеличение активности модификатора горения для топлив с более высокой степенью углефикации обусловлено снижением кислородосодержаших соединений в их молекулярной структуре.
Результаты эксперимента представлены в таблице 1.