СПОСОБ ИНТЕНСИФИКАЦИИ МАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ГОРЕНИИ ТВЁРДЫХ И ЖИДКИХ ТОПЛИВ
METHOD FOR INTENSIFICATION OF MASS-EXCHANGE PROCESSES IN COMBUSTION OF SOLID AND LIQUID FUELS

Изобретение относится к сфере прикладных проблем физико-химической механики, связанных с улучшением параметров процессов горения жидких, твердых и газообразных топлив, осуществляемых в разнообразных энергетических установках.
Известны способы получения тепловой энергии из органических веществ в виде углеводородов посредством организации процесса горения - быстрого окисления топлива в высокотемпературной области [Г.Ф. Кнорре, К.М. Арефьев, А.Г. Блох, Е.А. Нахапетян, И.И. Палеев, В.Б. Штейнберг. Теория топочных процессов. - М.-Л.: Энергия, 1966, с. 5.].
При этих способах процесс горения как цепная разветвляющаяся (самоускоряющаяся) реакция возникает после появления в горючей смеси единичных активных центров - молекул веществ со свободными валентностями - и начинает внешне проявляться только по накоплении достаточной концентрации этих центров. После этого следует возникновение фронта воспламенения или объемный взрыв [Г.Ф. Кнорре, К.М. Арефьев, А.Г. Блох, Е.А. Нахапетян, И.И. Палеев, В.Б. Штейнберг. Теория топочных процессов. - М.-Л.: Энергия, 1966, с. 6-7].
Активные центры в данном случае создаются введением в готовую или образующуюся смесь зажженного факела, раскаленного тела или электрической искры. Сам процесс является массообменным ввиду того, что в процессе горения в кислородной среде топливо разлагается на новые составляющие.
3
3
Теплотворная способность традиционных известных топлив составляет в среднем: у мазута 40 кДж/г, углей - от 7 до 27 кДж/г, торфа - от 7 до 10 кДж/г, горючих сланцев - 10,5 кДж/г, кокса - от 26 до 29,5 кДж/г, сухих природных газов - от 23 до 41 МДж/м, искусственных (генераторные газы из кусковых углей; водяные газы из кокса) газов - от 5,5 до 26,5 МДж/м, бензина 43,0 кДж/г, дизельного топлива - 44,8 кДж/г.
Недостатками данных способов являются: малая величина тепловой энергии, получаемой при сжигании топлив; недожог топлива; выбросы экологически вредных газов; необходимость сложных регулировочных систем, обеспечивающих оптимизацию процесса.
Известны изобретения способов интенсификации массообменных процессов в высококонцентрированных дисперсных системах воздействием малых добавок поверхностно-активных веществ (ПАВ) (SU 443675, 1974).
В таких системах самопроизвольно образуются пространственные структуры, свойства которых полностью определяются поверхностными явлениями на межфазной границе и контактными взаимодействиями (SU 443675, 1974).
Максимальная однородность в распределении различных дисперсных фаз по объему достигается, однако, за счет использования вибрации, а также взаимного усиления действия вибрации и ПАВ, что для использования данного изобретения в энергетических установках является недостатком, так как требует оснащения данных установок дополнительными сложными устройствами.
Следующим шагом в развитии данного направления является использование горных пород в качестве интенсификаторов массообменных процессов при горении [Патент РФ №2129461, 1999. Способ геоэнергетической интенсификации массообменных процессов и состав для геоэнергетической интенсификации массообменных процессов]. В процессе горения топлива частицы горных пород выступают в качестве активных центров, стимулируя процесс горения основного топлива и увеличивая полноту его сгорания. Горение в этом изобретении рассматривается как массообменный процесс при протекании химических реакций горения.
3
В данном процессе мелкоисперсную кварцеобразующую и кварцесодержащую породу (крупность частиц 95% по массе - не более 15 мкм, 5% по массе - не более 30 мкм) вводят в топливо в сочетании: от 0,1 до 5% по массе горная порода; остальное - топливо. Средняя величина энергетической стабильности вводимых горных пород - 82 кДж/см. Результатом является увеличение полноты сгорания топлив, в частности мазута. Это происходит за счет увеличения количества активных центров, коими являются мелкодисперсные частицы горных пород.
Недостатком данного способа является отсутствие учета условий горения топлива, характеристик топлива и конструктивных особенностей энергетической установки, влияющих на концентрацию вводимого модификатора
Дальнейшее развитие способ получил в известном патенте RU 2237216 «Способ получения энергии из минеральных веществ природного происхождения», в котором в смеси органическое топливо - минеральное вещество минеральное вещество дисперсностью менее 50 мкм вводится в смесь равномерно по объему топлива в количестве, позволяющем обеспечить ионизацию минерального вещества и процесс горения органического топлива, при этом оптимальные концентрации минеральных веществ составляют 0,09-0,03% по массе органического топлива.
3
При этом в качестве минеральных веществ используют вещества, у которых величина объемной удельной энергии атомизации не ниже 60 кДж/см.
Недостатками данного способа являются: отсутствие данных об оптимальном соотношении массы модификатора и конкретного вида топлива как для условий лабораторных испытаний, так и для условий действующих энергетических установок.
3
В качестве прототипа выбран способ получения энергии из минеральных веществ природного происхождения по патенту RU 2237216, заключающийся в том, что в смеси органическое топливо -минеральное вещество минеральное вещество дисперсностью менее 50 мкм вводится в смесь равномерно по объему топлива в количестве, позволяющем обеспечить ионизацию минерального вещества и процесс горения органического топлива, при этом оптимальные концентрации минеральных веществ составляют 0,09-0,03% по массе органического топлива, а в качестве минеральных веществ используют вещества, у которых величина объемной удельной энергии атомизации не ниже 60 кДж/см.
Прототип имеет те же недостатки - отсутствие учета характеристик топлива и модификатора, реальных условий горения в энергетических или лабораторных установках.
В основу изобретения поставлена задача установления границ концентраций минеральных материалов в твердых и жидких топливах при различных условиях горения, при которых происходит усиление массообменных процессов и выделение дополнительной энергии.
При помещении в топливо некоторого количества мелкодисперсного модификатора и горении данной смеси часть энергии основного топлива уходит на ионизацию частиц модификатора. При этом степень ионизации зависит от времени нахождения частицы в зоне повышенной температуры. При недостаточной концентрации модификатора величина поглощенной им энергии больше выделенной после ионизации. При значительной концентрации модификатора энергия основного топлива расходуется в первую очередь на нагрев его частиц, что снижает общий тепловой баланс. В результате для каждого случая горения образуется некая зона концентраций, в которой величина энергии, выделяемая модификатором, превышает величину энергии, поглощаемой им. Границы этой зоны по концентрации зависят от времени горения (нахождения частицы в факеле), теплотворной способности топлива и массовой энергии атомизации вещества модификатора.
Технический результат - определение зон интенсификации массообменных процессов с получением дополнительной энергии, при совместном применении модификаторов и жидких или твердых органических топлив в реальных условиях горения.
Технический результат обеспечивается тем, что в способе интенсификации массообменных процессов при горении твердых и жидких топлив путем введения в жидкое или твердое топливо модификаторов в виде мелкодисперсных минеральных материалов природного происхождения, отличающийся тем, что в качестве мелкодисперсных минеральных материалов природного происхождения используются кварцеобразующие и кварцесодержащие минералы, их смеси, с дисперсностью не более 40 мкм и медианными значениями дисперсности 10-15 мкм и массовой энергией атомизации не ниже 20 кДж/г, концентрацию модификатора в топливах назначают в зависимости от конструкции камеры сгорания энергетических установок, различаемых по скорости сжигания вводимого топлива на замкнутые, с кратким временем сгорания порции топлива до I с, и свободные с длительным временем горения от нескольких секунд и более, концентрация вводимого модификатора для камеры сгорания, с кратким временем сгорания порции топлива до I с составляет 0,04…0,8% по массе, а для камеры сгорания с длительным временем горения от нескольких секунд и более составляет от 0,018%…0,1% по массе.
Примеры реализации предлагаемого изобретения.
1. Результаты сжигания смеси органического топлива и минеральных веществ по методу бомбовой калориметрии по ГОСТ 21261-91
Топливо - мазут 100, вазелиновое масло с теплотворной способностью Q=44,0-46,0 кДж/г.
2
3
2
m
m
2
m
m
Границы концентраций модификатора по массе при выделении дополнительной энергии в топливе при использовании в качестве модификатора следующих веществ: FeOxSiO (E=33,165 кДж/г) - 0,04%...0,2%; серпентинит (E=31,840 кДж/г) - 0,1%-0,50%; SiO чупинского месторождения (E=31,240 кДж/г) - 0,1%...0,3%; титаномагнетит (E=27,000 кДж/г) - 0,6%...0,8%.
m
Топливо - нефтекокс с теплотворной способностью 36,70 кДж/г. При использовании серпентинита (E=31,840 кДж/г) границы концентрации находится в пределах 0,06%...0,1%.
m
Печное топливо с предварительно отогнанной водой с теплотворной способностью 44,83 кДж/г. При использовании серпентинита (E=31,840 кДж/г) зона концентрации находится в пределах 0,05%...0,8%.
2. Результаты испытаний в двигателях внутреннего сгорания.
Двигатели автомобилей - четырехцилиндровые с одинаковыми размерами
Топливо - бензин и дизельное топливо с теплотворной способностью Q=43,0 кДж/г.
m
Использовался серпентинит (E=31,840 кДж/г).
Границы концентрации - 0,02%...0,07% модификатора по массе топлива. При этом расход топлива снижался на 22%...28% в расчете на 100 км. пробега
3. Котельные установки на мазуте.
m
Топливо - мазут ГОСТ 10585-75. Марка - мазут топочный мелкозольный высокосернистый. Теплотворная способность - 44 кДж/г. В качестве модификатора использовался серпентинит (E=31,840 кДж/г).
Границы концентраций - 0,018%...0,05% модификатора по массе топлива. Расход топлива максимально снижался на 45%.
4. Котельные установки на твердом топливе
т
Топливо - бурый уголь с теплотворной способностью 16,3 кДж/г В качестве модификатора использовался серпентинит (Е=31,840 кДж/г). Границы концентрации -0,05%...0,08% модификатора по массе топлива. Расход топлива максимально снижался на 31%.
m
Топливо - уголь полуантрацит с теплотворной способностью 30 кДж/г. В качестве модификатора использовался серпентинит (E=31,840 кДж/г). Границы концентрации 0,04%...0,09% модификатора по массе топлива. Расход топлива максимально снижался на 49%.
m
Топливо - щепа древесная с теплотворной способностью Q=15 кДж/г В качестве модификатора использовался серпентинит (E=31,840 кДж/г). Границы концентрации 0,03%…0,1%. Расход топлива максимально снижался на 40%.
Приведенные примеры показывают, что заявленный способ позволяет определять зоны усиленного массообмена и, соответственно, дополнительного энерговыделения из смеси жидкого или твердого топлива с модификатором, что позволяет получать значительную дополнительную величину энерговыделения и обеспечивает существенное сокращение расхода органического топлива при использовании смеси органическое топливо - модификатор.