МОДИФИКАТОР ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА
MODIFIER FOR BURNING FUEL

Изобретение относится к области каталитической химии, а именно к модификаторам 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 разного состава и происхождения.
Модификатор предназначен для интенсификации процесса горения топлива в открытых и закрытых камерах и котлах энергетических установок.
Из уровня техники известны различные катализаторы и модификаторы, предназначенные для интенсификации процесса сжигания топлива.
Например, из заявки RU 2008139658 известно использование активированной добавки, состоящей из углеродного фуллероидного нанокластера, для сжигания пылеугольной смеси.
Из патента Швейцарии CH 599464 известно применение ферроцена в качестве катализатора процессов горения для добавления в топливо, применяемое в двигателях, например, в автомобильных двигателях.
Из патента RU 2299232 известно использование присадок к топливу в виде натуральных и синтетических органических веществ, в частности, производных фуллеренов, для оптимизации горения жидких углеводородных топлив, предназначенных для использования в двигателях внутреннего сгорания (карбюраторных, дизельных, роторно-поршневых и т.п.). При этом горение жидких углеводородных топлив ведут путем добавления чистого углерода в концентрации 0,01-0,10 масс.% в растворе органических растворителей. Раствор чистого углерода дополнительно смешивают с форсирующей добавкой в объемном соотношении 1:1, добавляют в эту смесь ингибитор окисления алюминиевых сплавов в количестве 0,007-0,008 масс. %.
Недостатком известных решений является ограниченность области применения указанного состава только в двигателях внутреннего сгорания, хотя и разного типа.
Из патента RU 2384553 известен модификатор горения для баллиститных твердых ракетных топлив (БТРТ), состоящий из свинцово-медного (ФМС) или свинцово-никелевого (ФНС) комплекса фталевой кислоты, технического углерода, 1,2-дибутоксибензола, хром(III)-медь(II) окиси, или двуокиси титана, или дисилицида титана, или карбоната кальция в сочетании с полезным соотношением компонентов БТРТ.
Недостатком данного решения является то, что в состав катализатора горения включены соединения свинца (1,5-4,0 масс.%), что может вносить вклад в загрязнение атмосферы свинцом, относящимся к 1 классу опасности.
Из патента RU 2292383 известен металлосодержащий катализатор горения, включающий трикарбонильные соединения марганца.
Однако данный катализатор направлен на снижение оксидов азота в отходящих газах горения угля (только) в печи коммунального энергоснабжения и не обеспечивает повышение температуры процесса горения топлива.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является модификатор горения твердого, жидкого и газообразного топлива по патенту RU 2515988, включающий катализатор горения и органический растворитель. Модификатор предназначен для сжигания древесины, природного газа, угля, мазута и других углеводородов, в энергетических котлах, в закрытых или открытых камерах. Данный 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, R3, R4 являются одинаковыми или различными и представляют собой С1-С6 алкильные группы, и от 5 до 15 масс.% моноацетилферроцена.
Недостатком данного решения является многокомпонентность состава модификатора, включающего органические и неорганические компоненты, и необходимость подбирать концентрации компонентов в зависимости от используемого топлива, что может нарушить стабильность процесса горения топлива разного агрегатного состояния. Кроме того, известный модификатор не обеспечивает достижения высоких температур горения топлива.
Технической проблемой настоящего 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 заключается в повышении температуры горения твердого, жидкого или газообразного топлива при уменьшении количества токсичных веществ в отходящих газах процесса горения топлива.
Предлагаемый модификатор позволяет увеличить полноту выгорания твердого топлива, приводит к уменьшению механического недожога и снижает необходимость использования подсветки, а также снижает содержание токсичных оксидов азота и углерода в отходящих газах до уровня предельно-допустимых концентраций (обеспечивает экологическую чистоту процесса горения органических и неорганических веществ).
Технический результат достигается тем, что модификатор горения твердого, жидкого или газообразного топлива, включающий катализатор горения и органический растворитель, согласно предлагаемому решению, в качестве катализатора горения содержит дициклопентадиенилтрикарбонил марганца, а в качестве органического растворителя – метилбензол, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
дициклопентадиенилтрикарбонил марганца
5-20
органический растворитель
80-95.
Дициклопентадиенилтрикарбонил марганца представляет собой "сэндвич" с атомом переходного металла, расположенным между двумя циклопентадиенильными кольцами, который в условиях горения топлива разлагается в присутствии кислорода воздуха с образованием оксида марганца.
Дициклопентадиенилтрикарбонил марганца может быть получен в соответствии со способом по патенту US №2818417 или по Авторскому свидетельству № 647303, основанному на взаимодействии соединений двухвалентного марганца с солями циклопентадиенила: калия, натрия, лития и алюминия (или с бромистым циклопентадиенилмагнием, или циклопентадиенильными соединениями других элементов) и окисью углерода. Наиболее часто используют циклопентадиениды щелочных металлов (натрия, калия, лития), в случае которых достигаются лучшие выходы.
Способ получения модификатора заключается в растворении дициклопентадиенилтрикарбонила марганца в количестве 5-20 % масс. в метилбензоле, взятом в количестве 80-95 % масс.
Для подтверждения достижения технического результата были приготовлены модификаторы с различным содержанием входящих в них компонентов.
Пример 1. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 4,0 г., метилбензола – 96,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 4,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 96,0.
Пример 2. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 4,5 г., метилбензола – 95,5 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 4,5; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 95,5.
Пример 3. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 5,0 г., метилбензола – 95,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 5,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 95,0.
Пример 4. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 6,0 г., метилбензола – 94,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 6,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 94,0.
Пример 5. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 7,0 г., метилбензола – 93,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 7,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 93,0.
Пример 6. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 10,0 г., метилбензола – 90,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 10,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 90,0.
Пример 7. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 12,0 г., метилбензола – 88,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 12,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 88,0.
Пример 8. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 15,0 г., метилбензола – 85,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 15,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 85,0.
Пример 9. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 18,0 г., метилбензола – 82,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 18,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 82,0.
Пример 10. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 19,0 г., метилбензола – 81,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 19,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 81,0.
Пример 11. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 20,0 г., метилбензола – 80,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 20,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 80,0.
Пример 12. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 20,5 г., метилбензола – 79,5,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 20,5; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 79,5.
Пример 13. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 21,0 г., метилбензола – 79,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 21,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 79,0.
Пример 14. Дициклопентадиенилтрикарбонила марганца взято 22,0 г., метилбензола – 78,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%:  дициклопентадиенилтрикарбонила марганца – 22,0; метилциклопентадиенилтрикарбонила марганца – 78,0.
Предлагаемый модификатор может быть использован для модифицирования процесса горения топлива разного агрегатного состояния, различного состава и происхождения, в частности, угля, природного газа, растительных отходов и древесины, дизельного топлива, мазута и органических отходов.
Было исследовано влияние полученных в примерах 1-14 составов модификаторов на температуру в зоне горения угля, результаты исследований приведены в таблице 1.
3
Промышленные испытания проводились в процессе сжигания пылевидного угля марки АШ в промышленном котлоагрегате ТПП-210. При этом модификатор горения топлива разбавляли водой в соотношении 4,0 – 50,0 мл модификатора на 1000 мл воды.  Полученную композицию равномерно распыляли в камеру сгорания топлива через систему аэрации совместно с воздухом в количестве 70-100 мл на 1000 кг твердого, жидкого или 1000 м газообразного топлива.
Температуру продуктов горения определяли термопарой, а состав отходящего газа  - газоанализатором АГМ-510М.
х
у
х
Наилучшего результата удалось достигнуть при содержании 5-20 масс. % дициклопентадиенилтрикарбонил марганца в органическом растворителе за счет увеличения глубины использования энергетического потенциала топлива путем каталитического превращения промежуточных компонентов генераторного газа (СО, СН, NO).
Таблица 1. Влияние состава модификатора на температуру в зоне горения угля
№примера
Содержаниедициклопентадиенил-трикарбонила марганца,масс. %
Содержаниеметилбензоламасс. %
Температура в зоне горения угля,°С
1
4,0
96,0
1500
2
4,5
95,5
1500
3
5,0
95,0
1620
4
6,0
94,0
1650
5
7,0
93,0
1640
6
10,0
90,0
1670
7
12,0
88,0
1650
8
15,0
85,0
1670
9
18,0
82,0
1650
10
19,0
81,0
1650
11
20,0
80,0
1630
12
20,5
79,5
1450
13
21,0
89,5
1440
14
22,0
88,0
1400
Таким образом, с использованием предлагаемого модификатора удалось повысить температуру в зоне горения угля до 1670 °С, снизив, при этом, выброс токсичных веществ ниже уровня предельно-допустимых значений (см. таблицу 2). На Фиг. представлена закономерность влияния содержания дициклопентадиенилтрикарбонила марганца в составе модификатора на увеличение температуры сжигания угля.
Таблица 2. Состав отходящих газов при горении топлив с модификатором, масс. %
Видтоплива
Состав отходящих газов
NO<sub>X</sub>, мг/м<sup>3</sup>
CH<sub>4</sub>, мг/м<sup>3</sup>
CO, мг/м<sup>3</sup>
CO<sub>2</sub>,% об.
O<sub>2</sub>,% об.
Уголь
87
52
17
7,4
12,2
Природныйгаз
54
24
29
8,8
11,7
Мазут
60
68
76
19,0
9,8
Таким образом, предлагаемый катализатор обеспечивает высокую теплоотдачу топлива, сокращает в 2 раза количество подсветки (природного газа) и одновременно позволяет осуществить эффективную очистку дымовых газов от оксидов азота и углерода (II).