Модификатор горения угля
COAL BURNING MODIFIER

Изобретение относится к области каталитической химии, а именно к модификаторам горения твердого топлива, а именно угля, разного состава и происхождения.
Модификатор предназначен для интенсификации процесса горения топлива в котлах энергетических установок.
Известно, что переходные металлы, содержащиеся в ацетилацетонатах, являются не только хорошими катализаторами процессов крекинга, деструкции, изомеризации и дегидрирования (Каталитические свойства веществ. Справочник / под. ред. Ройтера В.А. / Киев: Наукова думка, 1968. - 1464 с.), но и катализаторами процессов окисления в газовой фазе (Каталитические свойства веществ. Справочник, т. 4. Киев: Наукова думка, 1977. - 296 с.).
Известна многофункциональная комплексная присадка к топливам на основе ацетилацетонатов металлов и эфира ортокремневой кислот, дополнительно содержащая оксигенаты, амины, нитрилы и ароматические углеводороды при следующем соотношении компонентов (% вес): эфир ортокремневой кислоты 0,1-70, ацетилацетонат металла 0,001-5,0, растворимое в топливе соединение металла 0-5,0, оксигенаты 0-30, нитрилы 0-10, амины 0-45, ароматический углеводород 0-20, топливо до 100. Данная присадка позволяет снизить содержание вредных веществ в отработавших газах, снизить отложения на впускных и выпускных клапанах, а также повысить полноту сгорания топлива (патент РФ на изобретение №2609767, МПК C10L 1/18, C10L 1/28, C10L 1/12, C10L 10/00). Недостатком данной присадки является ее многокомпонентный состав и возможность применения только для получения моторных топлив.
-6
-4
Известна также железосодержащая топливная композиция, используемая в качестве горючего на базе бензина, содержащая 5-10 - 2-10% ацетилацетоната железа(III) и 0,005-0,02% тетраэтоксисилана в смеси с продуктами его гидролиза - димером, тримером и тетрамером. Данная композиция позволяет снижать содержание вредных веществ в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания и экономить топливо (патент РФ на изобретение №2158289, МПК C10L 1/18, C10L 1/28). Недостаток данной композиции заключается в преимущественном составе самого бензина и наличии продуктов гидролиза тетраэтоксисилана.
Известен металлосодержащий катализатор горения, включающий трикарбонильные соединения марганца (патент РФ на изобретение №2292383, МПК C10L 9/10). Однако данный катализатор направлен на снижение оксидов азота в отходящих газах горения угля в печи коммунального энергоснабжения и не обеспечивает повышение температуры процесса горения топлива.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
6
Известен модификатор горения твердого, жидкого и газообразного топлива, 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 мас. % воды, от 20 до 80 мас. % по меньшей мере одного алифатического спирта, от 5 до 15 мас. % мочевины или ее производных, выбранных из алкилмочевины типа RRN(CO)NRR, где R, R, R, R являются одинаковыми или различными и представляют собой C-С алкильные группы, и от 5 до 15 мас. % моноацетилферроцена (патент РФ на изобретение №2515988, МПК: C10L 10/00, C10L 1/10, C10L 1/18, C10L 1/222, C10L 9/10, C10L 3/00). 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.
Известен также модификатор горения твердого, жидкого и газообразного топлива, включающий катализатор горения и органический растворитель, при этом в качестве катализатора горения используется дициклопентадиенилтрикарбонил марганца, а в качестве органического растворителя - метилбензол (патент РФ на изобретение №2674011, МПК C10L 1/00, C10L 1/30, C10L 5/00, C10L 3/00). Недостатком данного решения является ограниченная растворимость дициклопентадиенилтрикарбонил марганца и необходимость использования метилбензола. При разбавлении модификатора водой перед введением в котловый агрегат, возможно расслоение, поскольку метилбензол и вода являются несмешивающимися жидкостями.
Известен модификатор горения топлива, включающий катализатор горения и органический растворитель, содержащий в качестве катализатора горения ацетилацетонат железа(III), а в качестве органического растворителя - этанол при следующем соотношении компонентов, мас. %: ацетилацетонат железа(III) 3-10, органический растворитель 90-97 (Патент РФ №27052090. Модификатор горения твердого или газообразного топлива / Коваленко Е.И., Романов П.В., Толмачев Д.В., Воронин Д.И., Кузьмина Р.И. // заявл. 25.12.2018, опубл. 6.11.2019). Недостатки: ограниченная растворимость ацетилацетоната железа(III) при разбавлении модификатора водой до ввода в котловый агрегат, поэтому возможно выпадение осадка и засорение форсунок.
Известна экологичная гидратированная добавка для топлива газообразных, жидких и твердых веществ, содержащая воду в количестве 10-95 мас. %, алифатические спирты с содержанием углерода С1-С5 в количестве 1-85% мас. %, цитрат железа(II) или цитрат железа (III), нейтрализованная 2-аминоэтанолом до рН менее 7 в количестве, предпочтительно 0,001-2 мас. % в пересчете на металл - железо и содержит добавки в количестве по меньшей мере от 0,1-3 мас. %, а именно: натуральные или синтетические высокомолекулярные соединения, анионные, катионные или неионные поверхностно-активные вещества (Patent Polish PL231396B1. Ekologiczny uwodniony dodatek do paliw gazowych, cieklych i stahych / Stanislaw Szczepaniak, Ehvira Szczepaniak, Elwira Szczepaniak, Remigiusz Szczepaniak, Remigiusz Szczepaniak, Dominika Szczepaniak, Dominika Szczepaniak, Monika Szczepaniak, Monika Szczepaniak, Andrzej Grzegorz Kielczewski // Publication of PL231396 B1 28.02.2019 - прототип.
Недостатки: ограниченная растворимость цитрата железа(III) при разбавлении модификатора водой до ввода в котловый агрегат, поэтому возможно выпадение осадка и засорение форсунок.
Технической задачей настоящего изобретения является разработка эффективного модификатора горения твердого топлива различного состава и происхождения (в частности, угля), обеспечивающего высокотемпературное сжигание топлива и детоксикацию отходящих газов.
Технический результат заключается в повышении температуры горения твердого топлива при уменьшении количества токсичных веществ в отходящих газах процесса горения топлива.
Предлагаемый модификатор позволяет увеличить полноту сгорания твердого топлива. При сжигании угля увеличивается теплоотдача, уменьшается образование токсичных оксидов азота, углерода.
Технический результат достигается тем, что модификатор горения твердого топлива, включающий катализатор горения ацетат железа(II), мочевину, растворители воду и изопропанол, ПАВ, согласно предлагаемому решению, в качестве ПАВ содержит аммонийную соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
ацетат железа(II)
3-10
мочевина
0-4
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
0-3
вода
10-20
изопропанол
остальное
3
2
3
3
Модификатор может содержать воду в количестве 10-20 мас. %. Ацетат железа(II), Fe(CHCOO), в отличие от ацетата железа (III), Fe(CHCOO) - соединение, обладающее неограниченной растворимостью в воде. Разлагается в условиях горения топлива в присутствии кислорода воздуха с образованием оксида железа(II).
Способ получения модификатора заключается в растворении ацетата железа(II) в количестве 3-10% мас. в воде, взятой в количестве 10-20% мас. и добавлении других ингредиентов: мочевины, аммонийной соли лимонной кислоты. Аммонийная соль 2-моноэтаноламина и лимонной кислоты выполняет роль ПАВ, способствуя поддержке гомогенности водно-спиртового раствора модификатора.
Описание поясняется фиг. 1…3, где: фиг. 1 - инфракрасный спектр аммонийной соли 2-аминоэтанола и лимонной кислоты, фиг. 2 - форсунка, где: 1 - корпус внутренней направляющей крепления форсунки, 2 - внутренняя направляющая крепления форсунки, 3 - заглушка корпуса, 4 - фильтр, 5 - распылитель форсунки, 6 - трубка входа модификатора, фиг. 3 - зависимость температуры в зоне горения угля от содержания ацетата железа(II).
Пример 1. Синтез аммонийной соли 2-моноэтаноламина и лимонной кислоты.
2
2
3
2
2
-
+
Смешение 2-моноэтаноламина СТП ТУ КОМП 2-198-10, лимонной (2-гидроксипропан-1,2,3-трикарбоновая) кислоты ГОСТ 908-04 и дистиллированной воды проводили в мольном соотношении 1:1:1 в литровой колбе при нагревании до температуры 88-98°С. Стабилизацию смеси осуществляли путем ее выдержки в течение не менее 2 часов с последующим удалением воды на ротационном испарителе при подъеме температуры до 97-100°С. После чего полученную вязкую массу аммонийной соли 2-аминоэтанола и лимонной кислоты переносили в отдельную емкость. Элементный анализ синтезированной соли и ИК - спектр подтверждают образование соединения НОС(O)СНС(ОН)С(O)(ОН) СНС(O)O HNCHCHOH, табл. 1, фиг. 1.
-1
-1
-1
-
-1
+
-1
2
3
Основные полосы поглощения: 2953,7 см - ассиметричные, 2918,6 см - симметричные валентные колебания СН-групп; 1704,1, 1633,0, 1575,2 и 1404,4 см - анион сложноэфирной группы - С(O)O, 3500-3400 см - катион -NH - группы, 1780,2 см - карбонильная группа С=O.
Для подтверждения достижения технического результата были приготовлены модификаторы с различным содержанием входящих в них компонентов, примеры 2-21. Распыление модификатора проходило с использованием форсунки, основные детали которой приведены на фиг. 2. На вход 6 внутренней направляющей крепления форсунки 2, находящейся в корпусе 1 тракта горячего воздуха топки котла, через фильтр 4 и распылитель форсунки 5 проходила подача раствора модификатора. По окончании эксперимента из корпуса 1 извлекались детали 2, 4, 5 и накручивалась заглушка 3.
Пример 2.
Ацетат железа(II)
2,0
мочевина
0
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
0
вода
8,0
изопропанол
90,0
Пример 3.
Ацетат железа(II)
2,5
мочевина
0
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
0
вода
8,0
изопропанол
89,5
Пример 4.
Ацетат железа(II)
3,0
мочевина
0,4
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
0,3
вода
9,0
изопропанол
87,3
Пример 5.
Ацетат железа(II)
3,5
мочевина
0,4
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
0,3
вода
9,0
изопропанол
86,8
Пример 6.
Ацетат железа(II)
4,0
мочевина
0,8
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
0,6
вода
10,0
изопропанол
84,6
Пример 7.
Ацетат железа(II)
4,5
мочевина
0,8
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
0,6
вода
10,0
изопропанол
84,1
Пример 8.
Ацетат железа(II)
5,0
мочевина
1,0
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
1,0
вода
11,0
изопропанол
82,0
Пример 9.
Ацетат железа(II)
6,0
мочевина
1,2
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
1,2
вода
12,0
изопропанол
79,6
Пример 10.
Ацетат железа(II)
7,0
мочевина
1,6
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
1,5
вода
13,0
изопропанол
76,9
Пример 11.
Ацетат железа(II)
8,0
мочевина
1,6
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
1,6
вода
14,0
изопропанол
74,8
Пример 12.
Ацетат железа(II)
9,0
мочевина
2,0
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
1,8
вода
15,0
изопропанол
72,2
Пример 13.
Ацетат железа(II)
10,0
мочевина
2,4
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
2,0,
вода
16,0
изопропанол
69,6
Пример 14.
Ацетат железа(II)
10,0
мочевина
2,8
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
2,2
вода
17,0
изопропанол
68,0
Пример 15.
Ацетат железа(II)
10,0
мочевина
3,0
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
2,4
вода
18,0
изопропанол
66,6
Пример 16.
Ацетат железа(II)
10,0
мочевина
3,0
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
2,6
вода
19,0
изопропанол
65,6
Пример 17.
Ацетат железа(II)
10,5
мочевина
3,2
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
2,8
вода
20,0
изопропанол
63,9
Пример 18.
Ацетат железа (II)
10,5
мочевина
3,4
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
3,0
вода
21,0
изопропанол
62,1
Пример 19.
Ацетат железа(II)
11,0
мочевина
3,5
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
3,2
вода
22,0
изопропанол
60,3
Пример 20.
Ацетат железа(II)
11,5
мочевина
3,6
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
3,3
вода
23,0
изопропанол
58,6
Пример 21.
Ацетат железа(II)
12,0
мочевина
3,7
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
3,4
вода
24,0
изопропанол
56,9
Предлагаемый модификатор может быть использован для усовершенствования процесса горения твердого топлива, в частности, угля.
Было исследовано влияние полученных в примерах 2-21 составов модификаторов на температуру в зоне горения угля, результаты исследований приведены в табл. 2.
Промышленные испытания проводились в процессе сжигания пылевидного угля марки АШ в промышленном котловом агрегате К-35-40. При этом модификатор горения топлива разбавляли водой в соотношении 5,0-50,0 мл модификатора на 1000 мл воды.
Полученную композицию равномерно распыляли в камеру сгорания топлива в количестве 50-100 мл на 1000 кг твердого топлива.
Измерение температуры факела в топке котла проводилось через доступные лазы и гляделки по всему периметру топки ИК - пирометром марки D-8858 с верхним пределом измеряемых температур до 1800°С. Состав отходящего газа измеряли газоанализатором АГМ-510М.
Наилучшего результата удалось достигнуть при следующем содержании
ингредиентов, мас. %:
ацетат железа(II)
3-10
мочевина
0-4
аммонийная соль 2-аминоэтанола и лимонной кислоты
0-3
вода
10-20
изопропанол
остальное
за счет увеличения глубины использования энергетического потенциала топлива.
Таким образом, с использованием предлагаемого модификатора удалось повысить температуру в зоне горения угля до 1184-1226°С, и понизить, при этом, выброс токсичных веществ ниже уровня предельно-допустимых значений, табл. 3.
Таким образом, предлагаемый модификатор обеспечивает высокую теплоотдачу топлива и одновременно позволяет осуществить эффективную очистку дымовых газов от оксидов азота и углерода(II).