МОДИФИКАТОР ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО, ЖИДКОГО И ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА
MODIFIER OF SOLID, LIQUID AND GASEOUS FUEL BURNING

Объектом изобретения является модификатор горения твердого, жидкого и газообразного топлива, в частности, древесины, природного газа, угля, мазута и других углеводородов, способ модифицирования процесса горения топлива и применение модификатора горения топлива.
Процессы горения твердого, жидкого и газообразного топлива все еще совершенствуются. В частности, исследуются все способы, позволяющие увеличить выход процесса и ограничить выброс вредных веществ в атмосферу. Часто применяют добавки различных типов, модифицирующие процессы, протекающие при горении топлива в энергетических котлах. В частности, желательно предотвращать образование сажи и других шламов, осаждающихся в котлах, работающих на каменном угле, буром угле, коксе или угольной мелочи.
В патенте Польши PL 165406 предложен катализатор для дожигания сажи, содержащий хлорид натрия, хлорид аммония, гидратированный сульфат меди и гидроксид кальция. Катализатор представляет собой смесь неорганических соединений в твердом состоянии и применяется в качестве добавки к твердому топливу.
Производные ферроцена относятся к металлоорганическим соединениям группы циклопентадиениловых комплексов. Комплексы железа II представляют собой сэндвичевую систему, в которой два лиганда связаны с катионом металла, расположенным между ними. Производные такого типа известны и применяются в качестве катализаторов химических процессов.
Из описания изобретения к патенту Японии JP 2000247990 известно применение циклопентадиеновых комплексов в химическом синтезе, например, при получении ароматических аминов.
Из патента Швейцарии CH 599464 известно применение ферроцена в качестве катализатора процессов горения для добавления в топливо, применяемое в двигателях, например, в автомобильных двигателях.
Задачей настоящего изобретения является разработка универсального модификатора горения всех видов топлива в энергетических котлах, выступающего в качестве катализатора, ограничивающего осаждение сажи и веществ, подобных каменноугольной смоле, обеспечивающего их дожигание и снижающего выброс нежелательных веществ, например, монооксида углерода, в атмосферу, и - в то же время - значительно повышающего выход процессов горения за счет снижения расхода соответствующих видов топлива.
Объектом изобретения является 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, 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.
Предпочтительно модификатор содержит от 10 до 30 масс.% воды, от 20 до 40 масс.% изопропанола, от 20 до 40 масс.% н-бутанола, от 5 до 15 масс.% карбамида и от 5 до 15 масс.% моноацетилферроцена, более предпочтительно модификатор содержит от 15 до 25 масс.% воды, от 25 до 35 масс.% изопропанола, от 25 до 35 масс.% н-бутанола, от 8 до 12 масс.% карбамида и от 8 до 12 масс.% моноацетилферроцена.
Предпочтительно модификатор содержит 20 масс.% воды, 30 масс.% изопропанола, 30 масс.% н-бутанола, 10 масс.% карбамида и 10 масс.% моноацетилферроцена.
Объектом изобретения также является способ модифицирования процесса горения твердого, жидкого и газообразного топлива, в частности, древесины, природного газа, угля, мазута и других углеводородов, в энергетических котлах, в закрытых или открытых камерах, характеризующийся тем, что модификатор горения, содержащий 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, дополнительно разбавляют водой в соотношении от 2,5 до 40 мл модификатора на 1 литр воды, и полученную разбавленную композицию дозированно подают в систему аэрации камеры сгорания совместно с воздухом, предпочтительно с помощью насоса.
Предпочтительно в способе применяют модификатор, содержащий от 10 до 30 масс.%, более предпочтительно 20 масс.%, воды, от 20 до 40 масс.%, более предпочтительно 30 масс.%, изопропанола, от 20 до 40 масс.%, более предпочтительно 30 масс.%, н-бутанола, от 5 до 15 масс.%, более предпочтительно 10 масс.%, карбамида и от 5 до 15 масс.%, более предпочтительно 10 масс.%, моноацетилферроцена.
В случае аэрации камеры сгорания холодным воздухом, модификатор дозированно подают путем распыления, а в случае аэрации камеры сгорания горячим воздухом применяют соответствующий испаритель.
3
Согласно указанному способу осуществляют дозированную подачу от 10 до 50 мл модификатора на 1000 кг угля или от 5 до 47 мл модификатора на 1000 м природного газа Gz-50, или от 10 до 100 мл модификатора на 1000 л жидкого топлива, такого как мазут и печное топливо. Данные количества модификатора были пересчитаны в расчете на его состав до дополнительного разбавления водой.
Объектом изобретения также является применение модификатора горения, описанного выше, для увеличения выхода горения твердого, жидкого и газообразного топлива, а также применение указанного модификатора в качестве катализатора в энергетических котлах, а также для дожигания сажи, печных газов и других примесей, присутствующих в камере сгорания, например, пыли и веществ, подобных каменноугольной смоле, и для очистки камеры сгорания и каналов в энергетических котлах от шлама.
Объектом изобретения также является применение модификатора горения, содержащего воду, алифатические спирты, карбамид или его производные и моноацетилферроцен, для увеличения выхода горения твердого, жидкого и газообразного топлива, а также применение указанного модификатора в качестве катализатора в энергетических котлах, а также для дожигания сажи, печных газов и других примесей, присутствующих в камере сгорания, например, пыли и веществ, подобных каменноугольной смоле, и для очистки камеры сгорания и каналов в энергетических котлах от шлама.
Одним из перспективных направлений применения модификатора горения согласно изобретению является его применение для модифицирования процесса горения топлива в котлах на тепло- и энерговырабатывающих предприятиях. Проведенные авторами изобретения исследования показали, что при модифицированном сгорании топлива снижение относительного расхода составляет для природного газа GZ-50 не менее 4-6%, для дизельного топлива 8-12%, а для мазута и угля 10-15%.
Эксперименты, касающиеся практической реализации модификатора согласно изобретению, то есть, в частности, композиции модификатора, известного как Reduxco (товарный знак, поданный на регистрацию в Патентное ведомство Республики Польша, заявка №Z-350906), показали, что экономия топлива может достигать вплоть до 25% на единицу произведенного продукта. Дополнительная эффективность процессов была достигнута за счет внесения незначительных изменений в систему аэрации камеры сгорания, не связанных с изменениями в конструкции энергетических котлов. Применение модификатора согласно изобретению приводит к обеспечению хорошего состояния котлов без необходимости внесения изменений в оборудование котельной.
Также крайне важно, что модификатор действует во всех отделениях котла, то есть в области топки, в области камеры сгорания и во всех каналах и дымоходах, что приводит к положительным изменениям во всей вышеуказанной области, и при этом происходит дожигание печных газов, пыли и шлама, в том числе и за пределами топки.
Модификатор согласно изобретению можно успешно применять в энергетических котлах любого типа, например, типа OR, OP, OB, WP, WR, EK, BB, при применении различных видов топлива, таких как каменный уголь, бурый уголь, брикеты различных типов, биотопливо и его композиции в смеси с продуктами переработки угля, топливо на основе древесины и всех видов древесных отходов, как переработанных, так и не переработанных, низкосортное топливо таких видов, как топливо на основе торфа, опилок, коры или соломы. Изобретение применимо также для газообразного и жидкого топлива, такого как мазут или нефть, а также для различных смесей и загрязненного топлива.
Применение модификатора в соответствии с настоящим изобретением позволяет применять в качестве топлива очень влажные материалы, такие как древесина, солома и другие виды целлюлозного топлива с высокой влажностью. Модификатор также позволяет осуществлять управление утилизацией отходов путем сжигания отходов, таких как пластмассы, отходы мяса и костей и химические отходы, без риска для окружающей среды. Для надлежащего протекания процесса содержание влаги должно быть около 50%. Единственными продуктами сгорания являются диоксид углерода и водяной пар.
На первом этапе из органической массы получают монооксид углерода. На втором этапе его сжигают с получением диоксида углерода. На этом же этапе происходит разложение воды (водяного пара) на водород и кислород. При нормальных условиях для проведения этого этапа нужна температура около 1600°C, однако при применении модификатора согласно изобретению температура процесса может быть понижена до 450-850°С. На третьем этапе происходит горение водорода с выделением большого количества тепла.
1
2
1
2
1
2
1
6
Обязательным компонентом модификатора согласно изобретению является комплекс, представляющий собой источник железа - моноацетилферроцен: циклопента-1,3-диен; 1-(1-циклопента-2,4-диенилиден)этанолат иона железа 2+. Для преобразований, которые происходят во время процессов горения, наличие гидроксильных групп в реакционной среде имеет важнейшее значение. Модификатор содержит также карбамид или его производные, такие как алкилмочевины вида RRN(CO)NRR, где R, R являются одинаковыми или различными и представляют собой C-C алкильные группы, например, метиленовую или этиленовую группы.
3
11
3
8
3
6
Алифатические спирты, применяемые в модификаторе согласно изобретению, могут иметь линейные или разветвленные цепи. Модификатор должен включать по меньшей мере один спирт (носитель OH-групп). Предпочтительно спирт выбран из группы C-C спиртов, более предпочтительно C-C спиртов, в особенности, C-C спиртов. Примеры используемых спиртов: этанол, пропанол, изопропанол, н-бутанол, пентанол, гептанол и октанол. За счет выбора спирта изменяют соотношение гидроксильных групп и количества углеродных атомов в цепи и отношение гидроксильных групп к массе других компонентов модификатора. Наилучшего эффекта достигают при применении спиртов со средней длиной цепи, например, изопропанола и н-бутанола. Таким образом, в модификаторе предпочтительно применяют смесь двух спиртов. С другой стороны, модификатор может содержать только один спирт из упомянутой группы или смесь трех или четырех спиртов.
Смесь, составляющая модификатор, может также содержать добавки, которые не влияют на его свойства, например, красители, предназначенные для того, чтобы отличать различные типы модификатора.
Можно предположить, что во время процессов горения в реакционной смеси образуются комплексные лиганды на основе N-радикалов, имеющих центр комплексобразования, образованный ионом железа с интегрированными гидроксильными группами и углеводородными цепями в соответствующем положении.
5
5
5
4
m
n
Грубо говоря, эти соединения можно определить как производные вида CHFeCHCOCH, но это лишь иллюстративная формула, и невозможно выделить такие соединения из реакционной смеси.
Считается, что способ согласно изобретению за счет применения конкретного модификатора горения приводит к образованию углеродных наноструктур (углеродных нанотрубок), повышающих выход процессов горения, о которых идет речь. Модификатор оказывает влияние на скорость цепной реакции горения и увеличивает мощность инфракрасного и ультрафиолетового излучения (люминесценции) в низкотемпературном диапазоне. Это уменьшает размер пламени и увеличивает мощность его излучения, что производит эффект повышения температуры и выделения тепла путем излучения. Повышение температуры вынуждает обслуживающий персонал подавать меньше топлива, что, в свою очередь, приводит к уменьшению его расхода. В то же время, следствием происходящих процессов является воздействие на части нагревательных элементов и их очистку. Кроме того, очистка поверхности камеры сгорания, расположенной в конвективной части котла, от сажи и копоти позволяет сжигать уголь низшей теплотворной способности в энергетическом и тепловом оборудовании без необходимости менять его конструкцию или комплектующие.
Стабильное горение и раннее воздействие излучения позволяют отключить дополнительный источник поддержания температуры в топке, например, газовое пламя.
В результате протекающих химических процессов модификатор Reduxco в значительной степени снижает количество выделяемых газов и их токсичность.
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.
Пример 1
Был получен водный раствор модификатора следующего состава: 20 масс.% воды, 30 масс.% изопропанола, 30 масс.% н-бутанола, 10 масс.% карбамида и 10 масс.% моноацетилферроцена.
Пример 2
Был получен водный раствор модификатора следующего состава: 30 масс.% воды, 35 масс.% изопропанола, 25 масс.% н-бутанола, 5 масс.% карбамида и 5 масс.% моноацетилферроцена.
Пример 3
Был получен водный раствор модификатора следующего состава: 20 масс.% воды, 50 масс.% изопропанола, 15 масс.% карбамида и 15 масс.% моноацетилферроцена.
В приведенной ниже Таблице представлены результаты анализов физико-химических свойств модификатора согласно изобретению.
Анализы
Значение
Единица измерения
Метод определения
ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ
8.2835
МДж/кг
КАЛОРИМЕТРИЯ
СОДЕРЖАНИЕ ХЛОРА
0.0297
%
ИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ
СОДЕРЖАНИЕ СЕРЫ
0.0038
%
ИОННАЯ ХРОМАТОГРАФИЯ
ЗОЛЬНОСТЬ
%
PN-EN 15169
ТОЧКА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ
>55
°C
PN-EN ISO 3680
pH
2
ТЕСТ MN 902 04
H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> ТЕСТ
0
мг/дм<sup>3</sup>
ТЕСТ MN QUANTOFIX 913 12
NO<sub>2</sub> и NO<sub>2</sub> ТЕСТ
0/0
мг/дм<sup>3</sup>
ТЕСТ MN QANtopIX 913 13
CN<sup>-</sup> ТЕСТ
отрицательный результат
ТЕСТ MN 906 04
ОКИСЛИТЕЛИ
отрицательный результат
ТЕСТ MN 907 54
Пример 4
3
Модификатор согласно Примеру 1 разбавляли водой в соотношении 5, 10 и 30 мл на 1 литр воды. Полученный раствор дозированно подавали под давлением со скоростью 5 мл/час в энергетические котлы, в которых в качестве топлива применяли уголь, природный газ Gz-50 или мазут. Применяли 10, 20 или 30 мл разбавленного модификатора на 1000 кг угля, или 10, 20 и 30 мл разбавленного модификатора на 1000 м природного газа Gz-50, или 20, 40 и 80 мл разбавленного модификатора на 1000 л мазута (в пересчете на массу топлива). Дозирование также проводили в угольном котле, оснащенном системой рециркуляции горячего воздуха. Модификатор согласно Примеру 1, разбавленный в соотношении 10 мл модификатора на 1 литр воды, дозированно испаряли в системе, включающей соответствующий испаритель, через которую из котла направляли рециркулируемый горячий воздух.
При применении модификатора согласно Примеру 1 было достигнут прирост мощности, равный по меньшей мере 1890 кДж/т угля, по сравнению с процессами горения угля без применения модификатора.