Паливна система, спосіб її виробництва та застосування

Реферат: Винахід належить до паливної системи і способу виробництва паливної системи. Паливна система відповідно до винаходу складається щонайменше із двох різних звичайних викопних палив і щонайменше одного носія органічного вуглецю, при цьому кількість носія органічного вуглецю складає щонайменше 20 % стосовно загальної маси. Викид двоокису вуглецю, заснованого на викопному вуглеці, помітно зменшується при застосуванні паливної системи відповідно до винаходу. UA 99491 C2 (12) UA 99491 C2 UA 99491 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід відноситься до паливної системи і до способу виробництва пропонованої паливної системи. Паливо, як правило, служить як енергоносій при виробництві тепла або електричного струму, з рівня техніки відомо різне число видів палива, серед яких переважають так називані викопні види палива. Буре вугілля, кам'яне вугілля, торф, природний газ і нафта - є частиною викопних видів палива, що утворилися як продукти розкладання мертвих рослин і тварин, у ході історії Землі. Викопні види палива були засновані на круговороті вуглецю і містять вуглець як основний носій енергії. Хоча в усьому світі попит на енергоносії в даний час задовольняється до 81 % за рахунок викопних видів палива, прогнози показують, що в найближчі 25 років приблизно до 90 % попиту на енергію будуть покриті за рахунок викопних видів палива. Викопні види палива використовувалися вже починаючи з 18-го і 19-го сторіч, і вони розглядалися як основа для промислової Революції. Особливо протягом останніх 40 років, всесвітній попит на енергію і, отже, споживання викопних видів палива зросли до такого ступеня, що виробництво енергії з викопних видів палива викликало екологічні проблеми. Викопні види палива в цілому ґрунтуються на органічних вуглецевих з'єднаннях, що виділяють енергію у формі тепла в процесі окисної реакції з киснем, наприклад у процесі згоряння. Диоксид вуглецю утвориться як побічний продукт цієї окисної реакції. Таким чином, диоксид вуглецю, що виділяється при згорянні викопних видів палива походить з вуглецевих з'єднань, що зберігалися протягом мільйонів років, результатом цього масового спалювання є збагачення земної атмосфери вуглекислим газом. З іншого боку, двоокис вуглецю часто згадується в якості так званих "парникових газів", що можуть уплинути на порушення екологічного балансу на Землі. Передбачається що двоокис вуглецю в атмосфері зменшує віддачу теплової енергії від Землі до Всесвіту, як скляний дах теплиці, при цьому кількість тепла одержуване Землею від Сонця зменшується дуже незначно. Передбачається що даний ефект веде до глобального потепління. Для контролю викидів СО2 в атмосферу Європейським Союзом згідно Киотського протоколу були сформульовані задачі по захисту клімату, а також у зв'язку з цим були навіть уведені так називані квоти викидів. З 2005 року, держави ЄС були зобов'язані директивою ЄС по торгівлі квотами викидів подати заяву в Національний план розподілу щораз на початку періоду торгівлі квотами викидів. Цей план фіксує кількість парникових газів кожного великого джерела країни, яку можна викидати протягом визначеного періоду. Стаття 9 цих Директив передбачає розгляд і затвердження цього плану розподілу Комісією ЄС на основі 12 критеріїв. Це стосується, насамперед, сумісності власних цілей країни в рамках Киотського протоколу, рівних умов для підприємств, а також дотримання конкурентноздатного права ЄС. Якщо викиди компанії перевищують квоту, що була виділена на це, компанія повинна купити додаткове право на викид в іншої компанії. Це може бути зроблено, наприклад, енергетичним обміном EXXA. З іншого боку, якщо компанія викидає менше квоти, що була виділена для цієї компанії, вона може продавати надлишкові обсяги викидів для інших компаній. Однак для фактичного скорочення частки CO2 в атмосфері, дозволені викиди поступово зменшуються. Основними джерелами СО2 є галузі промисловості й економіки, що мають високий попит на енергоносії. Наприклад, електростанції, нафтопереробні заводи, коксові заводи, металургійні комбінати, цементна промисловість, скляна промисловість, виробництво вапна, цегли, ізоляційних матеріалів, керамічна промисловість, целюлозно-паперова промисловість. Один зі способів уникнути накопичування СО2 в атмосфері є використання так званих поновлюваних джерел енергії. Головним чином це енергія вітру, гідроенергія, сонячна енергія і використання біомаси як паливо і для виробництва біогаза. Однак якщо біомаси використовуються як енергоносій, проблема полягає в тім, що біомаси мають явно більш низьку енергоємність у порівнянні з викопними видами палива. З іншого боку, біомаси мають перевагу в тім, що вони узяті як енергоносій з поточного круговороту вуглецю. Це означає, що в масштабах історії Землі, диоксид вуглецю, що виділяється в результаті окисного перетворення біомаси був утворений зовсім недавно і буде незабаром вилучений повторно з круговороту вуглецю за допомогою росту рослин, якщо біомаси будуть одночасно посаджені повторно. Таким чином, баланс вуглекислого газу буде досягнутий, а накопичування двоокису вуглецю в атмосфері буде відвернено. Проте, у зв'язку з явно більш низькою енергоємністю, види палива на основі біомаси, відомі з рівня техніки, не могли бути використані дотепер з достатньою ефективністю у великій промисловості. Крім того, використання біомаси як палива вимагає паливних технологій, що відрізняються від тих, котрі задіяні в спалюванні викопних палив, наприклад, таких як кам'яне вугілля і буре вугілля. З одного боку, виділення визначеної кількості енергії вимагає згоряння, 1 UA 99491 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 безумовно, більшої кількості біомаси, ніж викопного палива, і з іншого боку, використання біомаси як палива в промислових масштабах вимагає дорогої модифікації уже встановленої паливної системи. Крім енергоємності, біомаси, які використовуються як паливо, відрізняються від викопних палив такими додатковими властивостями, як зміст золи, летких речовин, зміст водню і зміст води. Однак усі ці фактори відіграють важливу роль у промисловому використання палива в залежності від конкретного випадку застосування, так що часто не представляється можливим замінити викопні палива на біомаси як паливо в області промислового застосування. Таким чином, мета даного винаходу полягає в наданні палива, що з однієї сторони є екологічно більш сприятливим, а з іншої сторони може використовуватися без обмежень для промислового застосування. Крім того, метою даного винаходу також є забезпечення способу виробництва такого палива. Що стосується палива, мета досягається за допомогою паливної системи, що характеризується тим, що вона складається із суміші, щонайменше, двох різних звичайних викопних палив і, щонайменше, одного донора органічного вуглецю, при цьому кількість донора органічного вуглецю складає, щонайменше, 20 % стосовно загальної ваги. Пропонована паливна система переважно складається з, щонайменше, двох різних звичайних викопних палив і, щонайменше, одного донора органічного вуглецю. Під донорами органічного вуглецю в контексті даного винаходу, як правило, мають на увазі біомаси. Особливо підходить у якості донорів органічного вуглецю поновлювана рослинна сировина така, як деревина, натуральне волокно, рослинна олія, цукор, крохмаль, сушені овочі і зернові. Звичайні викопні палива, що переважно використовуються в пропонованій паливній системі являють собою буре вугілля, кам'яне вугілля та/або антрацит. У варіанті здійснення пропонованої паливної системи, перше звичайне викопне паливо має показник відбивної здатності витриниту Rm > 2,0, при цьому друге звичайне паливо має показник відбивної здатності витриниту Rm 0,4-2,0. Показник відбивної здатності витриниту Rm подає інформацію про зрілість і тепловиділення використовуваного звичайного викопного палива. Крім того, показник відбивної здатності витриниту зв'язаний із процесом горіння застосовуваного звичайного викопного палива, так що оптимізація процесу горіння паливної системи можлива завдяки вибору звичайного викопного палива з показником відбивної здатності витриниту в межах заданого діапазону. Таким чином, процес горіння в пропонованій паливній системі може бути адаптований до процесу горіння чистого викопного палива, що звичайно використовується, наприклад, у силових установках, де під процесом горіння повинне мається на увазі зокрема енергетична цінність, теплопродуктивність, а також зольний залишок. Це дозволяє використовувати пропоновану паливну систему в існуючих системах згоряння без додаткових спеціальних змін установки. Таким чином, пропонована паливна система дозволяє екологічну оптимізацію систем згоряння, без необхідності робити спеціальні зміни установки. Відповідно до додаткового варіанта здійснення пропонованої паливної системи були використані, щонайменше, три звичайні викопні палива, при цьому одне мало показник відбивної здатності витриниту Rm > 3,0, друге мало показник відбивної здатності витриниту Rm у діапазоні > 2,0-3,0, а третє мало показник відбивної здатності витриниту Rm у діапазоні 0,42,0. Цей додатковий варіант здійснення пропонованої паливної системи дозволяє зокрема адаптацію індексу розмолоздатності Хардгрова так, що паливна система може бути також адаптована у відношенні цього параметра до спеціальних умов установки, наприклад вугільних дробарок. Крім того, це варіант здійснення дає можливість ретельної адаптації змісту сірки паливної системи, таким чином, паливна система може бути адаптована до спеціальних умов установки відносно змісту сірки, наприклад до систем очищення від сірки димових газів. Пропонована паливна система забезпечує паливо, що відповідає вимогам викопних палив у відношенні паливно-технологічних властивостей, при цьому має явно більш низький викид з носія викопного вуглецю на підставі вільної енергоємності. Частка органічного носія вуглецю в пропонованій паливній системі складає не менш 20 % по вазі щодо загальної маси. Таким чином, паливна система має ефективний зміст викопного вуглецю, знижений, щонайменше, на 11 % у порівнянні з викопними паливами, у відношенні теплопродуктивності, при цьому процентний уміст викопного палива був зв'язаний з теплопродуктивністю для розрахунку ефективного змісту викопного вуглецю. 2 UA 99491 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 У додатковому варіанті здійснення пропонованої паливної системи, паливна система містить разом з викопним паливом і носієм органічного вуглецю продукт, що очищує, обраний із групи, що складається з коксу, нафтового коксу, коксу лігніту, деревного вугілля. Що стосується способу, ціль винаходу досягається за допомогою способу виробництва описаних вище видів паливної системи, що включає наступні етапи, на яких: 1. вибирають перше звичайне викопне паливо з низьким змістом летких речовин і показником відбивної здатності витриниту Rm> 2,0, друге звичайне викопне паливо із середнім змістом летких речовин і показником відбивної здатності витриниту Rm 0,4-2,0, і носій органічного палива; 2. змішують перше звичайне викопне паливо з другим звичайним викопним паливом; 3. змішують отриману на етапі 2 суміш з носієм органічного палива; при цьому на етапі 3 додають до суміші, отриманої на етапі 2, носій органічного палива в кількості 20 % по вазі відносно загальної маси. Переважно, обране перше звичайне паливо включає летку фракцію, яка містить воду і не утримуючу золу (WAF) ≤ 10 % по вазі. Придатними звичайними паливами з такими властивостями є, наприклад, антрацит та/або худе вугілля. Переважно, обране друге звичайне паливо включає летку фракцію, що містить воду і не містить золу, між > 10 % по вазі і 3,0 і інше звичайне викопне паливо має показник відбивної здатності витриниту Rm між > 2,0 і 3,0. Додатковий варіант здійснення винаходу може передбачати насичення твердих біомас у цілому рідким носієм органічного вуглецю, таким як, наприклад, рослинна олія, рослинні жири та/або спирт, перед змішуванням із сумішшю звичайних викопних палив, отриманої на етапі 2. Альтернативно, передбачається, що в цілому рідкий носій органічного вуглецю змішується із сумішшю звичайних палив і носіїв органічного вуглецю, отриманої на етапі 3. Щоб уникнути склеювання або злипання під час транспортування або перевезення паливної системи, один варіант здійснення винаходу передбачає, що паливна система, отримана способом відповідно до винаходу, наприкінці змішувалася з пилом або порошкоподібною добавкою. Такими добавками можуть бути тирса, лушпайки бобових або вугільний пил. Додавання такої добавки дозволяє уникнути склеювання або злипання паливної системи, особливо у випадку додавання в цілому рідких носіїв органічного вуглецю, і отримана паливна система далі зберігається в ідеальному стані для транспортування і перевезення в звичайних відомих з рівня техніки установках. Пропонована паливна система, що була отримана за допомогою способу відповідно до винаходу особливо підходить як паливо для силової установки для виробництва електроенергії та/або тепла, для виробництва паперу, для виробництва скла і мінеральних сплавів, а також побутового палива. Пропонована паливна система і спосіб її виробництва, описані на приведених нижче прикладах, що ніяким чином не обмежують винахід. У приведеній нижче таблиці 1, показані приклади основних характеристик різних викопних палив і носіїв органічного вуглецю. 50 3 UA 99491 C2 Параметри (сировина) Вода в % по вазі Зола в % по вазі Леткі речовини в % по вазі Сірка в % по вазі Водень у % по вазі Вуглець у % по вазі Енергетична цінність H0 Дж / г Теплопродуктивність Hu Дж / г Теплопродуктивність Hu кал/г 5 10 15 20 25 30 35 Вугілля антрацит Жирне вугілля 4.00 8.50 5.20' 1.60 2.50 80.25 30675 30027 7172 9.01 20.50 21,26 0.93 3.05 57.85 22705 21833 5215 Деревні гранули 8.00 0.46 78,20 0.06 5.87 46.00 18216 17645 3999 ПРИКЛАД 1 33 % по вазі слаболеткого антрацитового вугілля змішували з 33 % по вазі середньолеткого жирного вугілля в змішувальному барабані, поки не одержали однорідну суміш. У змішувальний барабан в отриману суміш додали 33 % по вазі деревних гранул, і продовжували перемішування до одержання в значній мірі однорідної суміші. Аналіз отриманої суміші показав зміст води 7,00 % по вазі, зольність 9,8 % по вазі, фракцію леткої речовини (waf) 34,89 % по вазі, зміст сірки 0,86 % по вазі і загальну частку вуглецю 61,37 % по вазі, при цьому з загального вмісту вуглецю 61,37 % по вазі 46,03 % по вазі складає викопний вуглець і 15,33 % по ваги складає органічний вуглець. Отримана суміш показала енергетичну цінність H0 - 23865 Дж/г і теплопродуктивність Hu - 5462 кал/г. Отримана суміш показала відмінний процес горіння і може спалюватися в котельнонагрівальній печі, що раніше працювала на викопному паливі, без яких-небудь змін в установці. Щодо енергоємності антрацитового вугілля, суміш містила частку викопного вуглецю, що була менше на 20,11 %. У порівнянні з енергоємністю середньолеткого жирного вугілля, суміш показала зміст викопного вуглецю менше на 13,94 %. ПРИКЛАД 2 У формі, описаній в прикладі 1, 40 % по вазі низьколеткого антрацитового вугілля змішували з 30 % по вазі середньолеткого жирного вугілля і 30 % по вазі деревних гранул в якості носія органічного вуглецю. Отримана суміш показала зміст води 6,70 % по вазі, зольність 9,69 % по вазі, фракцію леткої речовини (WAF) 31,92 % по вазі, зміст сірки 0,94 % по вазі, зміст водню 3,68 % по вазі. Загальна частка вуглецю в суміші склала 63,26 % по вазі, при цьому 49,46 % по вазі складав викопний вуглець і 13,80 % по вазі складав органічний вуглець. Суміш має енергетичну цінність H0 - 24546 Дж/г і теплопродуктивність Hu - 5633 кал/г. Щодо енергоємності антрацитового вугілля, суміш показала частку викопного вуглецю, що була скорочена на 17,28 % і на 12,06 % відносно середньолеткого жирного вугілля. ПРИКЛАД 3 У формі, описаній в прикладах 1 і 2, 60 % по вазі низьколеткого вугілля змішують з 10 % по вазі середньолеткого вугілля і 30 % по вазі носія органічного вуглецю. Отримана суміш показала зміст води 5,70 % по вазі, зольність 7,29 % по вазі, фракцію леткої речовини (waf) 28,71 % по вазі, зміст сірки 1,07 % по вазі і зміст водню 3,57 % по вазі. Загальна частка вуглецю склала 67,74 % по вазі, при цьому 53,94 % по вазі складав викопний вуглець і 13,80 % по вазі складав органічний вуглець. Суміш має енергетичну цінність H0 - 26140 Дж/г і теплопродуктивність Hu - 6024 кал/г. У порівнянні з низьколетким вугіллям, суміш показала зміст викопного вуглецю, що було скорочено на 16,06 %, а в порівнянні зі середньолетким викопним вугіллям зміст вуглецю, було скорочено на 11,18 %. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 1. Паливна система, що складається із суміші щонайменше двох звичайних різних викопних палив і щонайменше одного носія органічного вуглецю, при цьому кількість носія органічного вуглецю складає щонайменше 20 % відносно загальної маси, яка відрізняється тим, що перше звичайне викопне паливо має показник відбивної здатності вітриніту Rm>2,0, а друге викопне паливо має показник відбивної здатності вітриніту Rm 0,4-2,0. 2. Паливна система за п. 1, яка відрізняється тим, що як звичайне викопне паливо система містить буре вугілля, кам'яне вугілля та/або антрацит. 3. Паливна система за будь-яким з пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що містить щонайменше три різні звичайні викопні палива, при цьому перше паливо має показник відбивної здатності 4 UA 99491 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 вітриніту Rm>3,0, друге має показник відбивної здатності вітриніту Rm в межах від >2,0 до 3,0, а третє має показник відбивної здатності вітриніту Rm 0,4-2,0. 4. Паливна система за будь-яким з пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що як донор органічного вуглецю система містить біомаси. 5. Паливна система за будь-яким з пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що як донор органічного вуглецю система містить щонайменше одну відновлену рослинну сировину, вибрану з групи, що включає деревину, натуральне волокно, рослинні масла, спирт, цукор, крохмаль, сушені овочі і злаки. 6. Паливна система за будь-яким з пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що додатково містить очищений продукт, вибраний із групи, що складається з коксу, нафтового коксу, коксу бурого вугілля, деревного вугілля. 7. Паливна система за будь-яким з пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що має ефективний вміст викопного вуглецю, що зменшився щонайменше на 11 % у порівнянні з викопними паливами, по відношенню до теплопродуктивності, при цьому при розрахунку ефективного вмісту викопного вуглецю процентний вміст викопного палива зв'язаний з теплопродуктивністю. 8. Спосіб виробництва паливної системи за будь-яким з пп. 1-7, що включає наступні етапи, на яких: - вибирають перше звичайне викопне паливо з низьким вмістом летких речовин і показником відбивної здатності вітриніту Rm>2,0, друге звичайне викопне паливо із середнім вмістом летких речовин і показником відбивної здатності вітриніту Rm 0,4-2,0, і носій органічного палива, - змішують перше звичайне викопне паливо з другим звичайним викопним паливом, - змішують отриману на етапі 2 суміш з носієм органічного вуглецю, при цьому на етапі 3 додають до суміші, отриманої на етапі 2, носій органічного палива в кількості 20 % відносно загальної маси. 9. Спосіб за п. 8, який відрізняється тим, що перше звичайне паливо включає летку фракцію, що містить воду і не містить золу (WAF), 10 мас. % до 3,0, зі звичайним викопним паливом, що має показник відбивної здатності вітриніту Rm в межах від >2,0 до 3,0. 14. Спосіб за будь-яким з пп. 8, 9, який відрізняється тим, що як носій органічного вуглецю домішують в цілому тверді біомаси, переважно деревину, деревні гранули, деревні тріски, натуральні волокна, злаки, цукор або сушені овочі. 15. Спосіб за п. 14, який відрізняється тим, що перед змішуванням в цілому тверді біомаси просочують в цілому рідким носієм органічного вуглецю, переважно рослинною олією, рослинним жиром та/або спиртом. 16. Спосіб за будь-яким з пп. 8, 9, який відрізняється тим, що перед домішуванням носія органічного вуглецю очищений продукт, вибраний із групи, що містить кокс, нафтовий кокс, кокс лігніту і деревне вугілля, додатково домішують до суміші, отриманої на етапі 2. 17. Спосіб за будь-яким з пп. 8, 9, який відрізняється тим, що практично пил або порошкоподібну субстанцію, переважно тирсу, лушпайки бобових або вугільний пил додатково домішують в суміш, отриману на етапі 2 та/або на етапі 3. 18. Застосування паливної системи, одержаної у відповідності зі способом за будь-яким з пп. 817, як палива для силової установки для виробництва електроенергії та/або тепла, для виробництва паперу, для виробництва скла та/або мінеральних сплавів, а також побутового палива. 55 Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5