Модифікатор горіння твердого, рідкого і газоподібного палива, спосіб його одержання та застосування

Реферат: Винахід належить до модифікатора горіння твердих, рідких і газоподібних видів палива, зокрема дерева, природного газу, вугілля, мазуту та інших вуглеводнів в енергетичних котлах, в закритих або відкритих камерах, який характеризується тим, що містить від 10 до 30 мас. % води, від 20 до 80 мас. % щонайменше одного аліфатичного спирту, від 5 до 15 мас. % карбаміду або його похідних, а також від 5 до 15 мас. % моноацетилфероцину, а також способу модифікації процесу спалювання вищезгаданого виду палива та застосування модифікатора горіння палива. UA 99885 C2 (12) UA 99885 C2 UA 99885 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки Об'єктом винаходу є модифікатор горіння твердих, рідких і газоподібних видів палива, зокрема, дерева, природного газу, вугілля, мазуту та інших вуглеводневих, також спосіб модифікатора, процес згорання палива і використання модифікатора горіння палива. Рівень техніки Процеси спалювання твердого, рідкого і газоподібного палива все ще удосконалюються. Зокрема, всі способи, які дозволяють збільшити вихід процесу та обмежити викид шкідливих речовин в атмосферу досліджуються. Часто застосовуються добавки різних типів, які змінюють процеси, що відбуваються при згорянні палива в енергетичних котлах. Зокрема переважним є запобігання виникнення сажі та інших намулових областей в котлах, які вивільняються з кам'яного вугілля, бурого вугілля, коксу або тонкого вугілля. У польському патенті PL165406 розкривається каталізатор для спалення сажі, яка включає хлорид натрію, хлорид амонію, сульфат міді гідратований і гідроксид кальцію. Каталізатор є сумішшю неорганічних сполук у твердому стані і використовується як добавка до твердого палива. Ферроценові похідні належать до групи металів органічних сполук з групи циклопентадіенілових сполук. Сполуки з залізом II є багатошаровою системою, в якій два ліганди пов'язані з катіоном металу розташованих між ними. Похідні такого типу відомі і використовуються в якості каталізаторів хімічних процесів. З японського опису патенту JP2000247990, відомо використання циклопентадієнових сполук в хімічному синтезі, наприклад, під час отримання ароматичних амінів. З швейцарського патенту СН 599464, відомо використання фероцену як каталізатора процесів горіння, що використовуються як добавка до палива, що застосовується в двигунах, наприклад, в двигунах автомобіля. Метою цього винаходу є розробка універсального модифікатора горіння всіх видів палива в енергетичних котлах, який діє як каталізатор та обмежує осідання сажі і обвуглювання палива, після спалювання і знижує викид небажаних речовин, наприклад, окису вуглецю, в атмосферу і у той же час - значно підвищує вихід процесів горіння за рахунок зменшення споживання відповідних видів палива. Об'єкт винаходу модифікатора є горіння твердих, рідких і газоподібних видів палива, зокрема, дерева, природного газу, вугілля, мазуту та інших вуглеводнів, в енергетичних котлах, в закритих або відкритих камерах та характеризується тим, що містить від 10 до 30 мас. % води, від 20 до 80 мас. % щонайменше одного аліфатичного спирту, від 5 до 15 мас. % карбаміду або його похідних і від 5 до 15 мас. % моноацитилфероцину. Переважно, модифікатор містить від 10 до 30 мас. % води, від 20 до 40 мас. % ізопропанолу, від 20 до 40 мас. % n-бутанолу, від 5 до 15 мас. % карбаміду і від 5 до 15 мас. % моноацитилфероцину, більш переважно містить від 15 до 25 мас. % води, від 25 до 35 мас. % ізопропанол, від 25 до 35 мас. % n-бутанолу, від 8 до 12 мас. % карбаміду і від 8 до 12 мас. % моноацитилфероцину. Переважно, модифікатор містить 20 мас. % води, 30 мас. % ізопропанол, 30 мас. % nбутилового спирту, 10 вагу. % карбаміду і 10 мас. % моноацитилфероцину. Об'єктом винаходу є також спосіб модифікації процесу згоряння твердого, рідкого і газоподібного палива, зокрема, дерева, природного газу, вугілля, мазуту та інших вуглеводнів, в енергетичних котлах, в закритих або відкритих камерах та характеризується тим, що модифікатор горіння, що містить від 10 до 30 мас. % води, від 20 до 80 мас. % щонайменше одного аліфатичного спирту, від 5 до 15 мас. % карбаміду або його похідних і від 5 до 15 мас. % моноацитилфероцину розбавляють додатково водою у співвідношенні від 2,5 до 40 мл модифікатора на 1 літр води і в результаті розведена композиція вимірюється з системою аерації в камері згоряння, бажано через насос разом з повітрям для системи аерації. Переважно, модифікатор, який містить від 10 до 30 мас. %, більш переважно 20 мас. % води, від 20 до 40 мас. %, більш переважно 30 мас. % ізопропанол, від 20 до 40 мас. %, більш переважно 30 мас. % n-бутанол, від 5 до 15 мас. %, більш переважно 10 мас. % карбаміду і від 5 до 15 мас. %, більш переважно 10 мас. % моноацитилфероцину застосовується в способі. У разі аерації (вентилювання) камери згоряння холодним повітрям, модифікатор вимірюється за допомогою розпилення, а в разі аерації камери згоряння за допомогою гарячого повітря, використовується котел. Від 10 до 50 мл модифікатора на 1000 кг вугілля або від 5 до 47 мл модифікатора на 1000 кубічних метрів природного газу GZ-50 або від 10 до 100 мл модифікатора на 1000 літрів рідкого палива, такого як мазут і пічне паливо. Дана кількість модифікатора, яка була перерахована на основі його складу для додаткового розбавлення водою. 1 UA 99885 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Об'єктом винаходу є також використання модифікатора горіння зазначеного вище для підвищення виходу горіння твердих, рідких і газоподібних видів палива та використання в якості каталізатора в енергетичних котлах, а також для спалювання сажі, пічних газів та інших домішок, присутніх в камері згоряння, наприклад, пилу і кам'яновугільної смоли і типових речовин, і для очищення камери згоряння і каналів в енергетичних котлах від намулових областей. Об'єктом винаходу є також використання модифікатора горіння, що містить воду, аліфатичні спирти, карбамід або його похідні, моноацитилфероцин, для збільшення виходу спалювання твердого, рідкого і газоподібного палива, а також використання в якості каталізатора в енергетичних котлах, а також для допалювання сажі, пічних газів та інших домішок, присутніх в камері згоряння, наприклад, пилу і кам'яновугільної смоли і типових речовин і для очищення камери згоряння і каналів в енергетичних котлах від намулових областей. Одним з перспективних напрямків при використанні модифікатора горіння винаходу застосовували для модифікації процесу спалювання палива в котлах теплоенергетичних компаній. Проведені дослідження показали, що зниження відносної витрати протягом зміни згоряння палива становить для природного газу GZ-50 не менше 4-6 %, на дизельне паливо 812 %, а для мазуту і вугілля на 10-15 %. Експерименти, що стосуються практичної реалізації модифікатора винаходу, зокрема складу модифікатора REDUXCO (торгова марка представлена Патентним відомством Республіки Польща, заявка № Z-350906) доводить, що можливості економії палива на одиницю випущеної кількості продукції навіть до 25 %. Додаткової ефективності процесів було досягнуто за рахунок введення невеликої модифікації системи аерації камери згоряння, не відбувається змін в конструкції енергетичного котла. Використання модифікатора винаходу дало результати хорошого стану котлів без необхідності внесення змін в обладнання котельні. Також дуже важливо, що модифікатор діє у всіх секціях котла таких як область печі, зона горіння камери і всі канали, труби трубопроводу, який має переваги спалювання пічних газів, пилу і намулу областей - і за межами печі котла. Модифікатор згідно винаходу може з успіхом використовуватися в енергетичних котлах такого типу, наприклад, ОР, ОП, ОБ, ВП, ВР, ЕК, ББ-типу, при використанні різних видів палива, таких як кам'яне вугілля, буре вугілля, брикети різних типів, біопалива та їх композицій у суміші з відвантаженим вугіллям, паливо на основі деревини і всі матеріали, деревні відходи, оброблені чи не оброблені, низькосортні види палива, наприклад, на основі торфу, тирси, кори або соломи. Винахід також застосовується для газоподібних і рідких видів палива, таких як мазуту чи нафти, а також для різних сумішей і забрудненого палива. Застосування модифікатора згідно цього винаходу дозволяє використовувати дуже вологий матеріал, такий як деревина, солома та інші види палива целюлоза високої вологості, в якості палива. Модифікатор дозволяє також здійснювати управління відходами шляхом спалювання таких відходів як пластмаси, відходи з м'яса і кісток, і хімічних речовин, без небезпеки для навколишнього середовища. Для належного ходу процесу, вміст вологи має бути близько 50 %. Продуктами згоряння є тільки вуглекислий газ і водяний пар. На першому етапі, оксид вуглецю виводиться з органічної маси. На другому етапі, він спалюється для одержання вуглекислого газу. На цьому етапі відбувається розкладання води (водяної пари) на водень і кисень. За нормальних умов цей етап вимагає температури близько 1600 °C. При використанні модифікатора згідно винаходу, температура процесу може бути скорочена до 450-850 °C. На третьому етапі відбувається горіння водню, яке супроводжується виділенням великої кількості тепла. Важливим компонентом модифікатора згідно винаходу є комплексна сполука носій заліза моноацитилфероцин: циклопента-1, 3-діен; 1-(1-циклопента-2, 4-діениледін) етанол іонів заліза 2+. У перетвореннях, які відбуваються під час процесів горіння має вирішальне значення наявність гідроксильних груп в реакційному середовищі. Модифікатор містить також карбамід або його похідні, такі як алкілурій з RiR2N(CO)NR]R2 типу, де Ri, R2, R3, R4 є однаковим або різним і С1-С6-алкіл групи, наприклад, групи метилену або етилену. Аліфатичні спирти застосовуються в модифікаторі винаходу і можуть мати лінійні або розгалужені ланцюги. Модифікатор повинен включати, принаймні один спирт (носій ОН-груп). Переважно спирт вибраний з групи С3 - С11 спиртів, більш переважно С3 - С8 спиртів, зокрема, С3 - С6 спирти. Приклади спиртів які використовуються: етанол, пропанол, ізопропанол, nбутанол, пентанол, гептанол і октанол. Через відбір спиртів, співвідношення гідроксильних груп в числі вуглецевих атомів в ланцюзі змінюється і це є відношенням гідроксильних груп до маси інших компонентів модифікатора. Переважні впливи досягаються при використанні спиртів помірної довжини ланцюга, наприклад, ізопропанолу і n-бутанолу. Таким чином, в модифікаторі 2 UA 99885 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 переважно використовується суміш двох спиртів. З іншого боку, модифікатор може містити лише один спирт зазначеної групи або суміш із трьох або чотирьох спиртів. Суміш модифікатора може також включати добавки, які не впливають на його властивості, наприклад, барвники, для проведення різниці між різними типами модифікаторів. Можна припустити, що під час процесів горіння, складних лігандів на основі N-радикалу, що містить комплексоутворюючі центри, які складаються з іону заліза з вбудованою гідроксильною групою і вуглеводневих ланцюгів, які утворюються в належному місці в реакційній суміші. Загалом можна визначити, ці сполуки як похідні типу C5H5FeC5H4COCmHn, це тільки зображення формули і неможливо виділяти такі сполуки з реакційної суміші. Вважається, що спосіб згідно винаходу, шляхом використання конкретного модифікатора горіння призводить до утворення вуглецевих наноструктур (вуглецеві нанотрубки), які підвищують потужність процесів горіння в дослідженні. Модифікатор впливає на швидкість ланцюгової реакції горіння і збільшує силу інфрачервоного і ультрафіолетового випромінювання (люмінесценції) в нижньому діапазоні температур. Це зменшує розмір полум'я і збільшує потужність його випромінювання, яке має ефект збільшення температури і тепловіддачі випромінюванням. Температура підвищує потужність обслуговуючого апарату, це призводить до меншої витрати палива, яке в свою чергу призводить до зменшення згорання палива. У той же час, взаємодія процесів, що відбуваються впливають на частини нагрівальних елементів і сприяють їх очищенню. Крім того, очищення поверхні в камері згоряння в конвективній частині котла від сажі та кіптяви дозволяє спалювати вугілля нижчої теплової віддачі при потужному опалювальному обладнанні і немає необхідності міняти їх конструкцію або обладнання. Стабільне згоряння і впливи випромінювання дозволяють відключити додаткове джерело підтримки температури в печі, наприклад, газове полум'я. В результаті хімічних процесів, які відбуваються модифікатор REDUXCO в значній мірі знижує кількість газів, які випускаються та їх токсичність. У способі винаходу, сполука модифікатора подається насосом-дозатором в повітряну насосну систему, температура повітря, яка подається не має впливу. Модифікатор дозується у вигляді водного розчину через розпилення в повітрі засмоктується в котел, а потім перекачується в камеру згоряння. Якщо повітря холодне воно подається за допомогою інжектора, якщо повітря гаряче - застосовується котел, з якого модифікатор випаровується з потоком гарячого повітря і всмоктується в систему згоряння в котлі. Приклад 1 Підготовлений водний розчин модифікатора наступного складу: 20 мас. % води, 30 мас. % ізопропанол, 30 мас. % n-бутилового спирту, 10 мас. % карбаміду і 10 мас. % моноацетилфероцину. Приклад 2 Підготовлений водний розчин модифікатора наступного складу: 30 мас. % води, 35 мас. % ізопропанол, 25 мас. % n-бутанол, 5 мас. % карбаміду та 5 мас. % моноацетилфероцину. Приклад 3 Підготовлений водний розчин модифікатора наступного складу: 20 мас. % води, 50 мас. % ізопропанолу, 15 мас. % карбаміду і 15 мас. % моноацетилфероцину. У таблиці нижче, представлені результати аналізу фізико-хімічних властивостей модифікатора згідно винаходу. Таблиця Аналіз Теплота горіння Вміст хлору Вміст сірки Зола Температура загоряння РН Показник 8.2835 0.0297 0.0038 Одиниця виміру Мдж/кг % % % Спосіб визначення Калориметр Іонна хроматографія Іонна хроматографія PN-EN 15169 >55 °С PN-EN ISO 3680 2 0 мг/дм 3 NO3 NO2 TEST 0/0 мг/дм 3 CN TEST ОКИСЛЮВАЧ негативний результат негативний результат Н2О2 TEST 3 TEST MN 902 04 TEST MN QUANTOFIX913 12 TEST MN QANTOFIX 913 13 TEST MN 906 04 TEST MN 907 54 UA 99885 C2 5 10 Приклад 4 Модифікатор прикладу 1 розбавляють водою у співвідношенні 5, 10 і 30 мл на 1 літр води. Одержаний розчин дозується під тиском зі швидкістю 5 мл/год., в енергетичних котлах, в яких вугілля, природний газ Gz-50 або мазут використовується, як паливо, 10, 20 або 30 мл розведеного модифікатора на 1000 кг вугілля, або 10, 20 і 30 мл розведеного модифікатора на 1000 кубічних метрів природного газу GZ-50, або 20, 40 і 80 мл розведеного модифікатора було використано на 1000 літрів мазуту (в перерахунку на масу палива). Замір був проведений також у вугільному нагрівальному котлі оснащеного гарячим повітрям (10) рециркуляційної системи. Модифікатор прикладу (1) розведений у співвідношенні 10 мл модифікатора на 1 літр води вимірюється шляхом випаровування в системі, включаючи котел, через який перероблене гаряче повітря було спрямоване з котла. При використанні модифікатора прикладу (1) коефіцієнт посилення потужності не менше 1890 кДж/тонна вугілля був досягнутий для порівняння, в процесі спалювання вугілля без модифікатора. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Модифікатор горіння твердих, рідких і газоподібних видів палива, зокрема дерева, природного газу, вугілля, мазуту та інших вуглеводнів, в енергетичних котлах, в закритих або відкритих камерах, який відрізняється тим, що містить від 10 до 30 мас. % води, від 20 до 80 мас. % щонайменше одного аліфатичного спирту, від 5 до 15 мас. % карбаміду або його похідних, що вибрані з алкілсечовини R1R2N(CO)NR1R2 типу, де R1, R2, R3, R4 є однаковими або різними С1-С6-алкілгрупами, а також від 5 до 15 мас. % моноацетилфероцину. 2. Модифікатор за п. 1, який відрізняється тим, що містить від 10 до 30 мас. % води, від 20 до 40 мас. % ізопропанолу, від 20 до 40 мас. % n-бутанолу, від 5 до 15 мас. % карбаміду і від 5 до 15 мас. % моноацетилфероцину. 3. Модифікатор за п. 1, який відрізняється тим, що містить від 15 до 25 мас. % води, від 25 до 35 мас. % ізопропанолу, від 25 до 35 мас. % n-бутанолу, від 8 до 12 мас. % карбаміду і від 8 до 12 мас. % моноацетилфероцину. 4. Модифікатор за п. 1, який відрізняється тим, що містить 20 мас. % води, 30 мас. % ізопропанолу, 30 мас. % n-бутилового спирту, 10 мас. % карбаміду і 10 мас. % моноацетилфероцину. 5. Спосіб модифікації процесу спалювання твердого, рідкого і газоподібного палива, зокрема дерева, природного газу, вугілля, мазуту та інших вуглеводнів, в енергетичних котлах, в закритих або відкритих камерах, який відрізняється тим, що модифікатор горіння, що містить від 10 до 30 мас. % води, від 20 до 80 мас. % щонайменше одного аліфатичного спирту, від 5 до 15 мас. % карбаміду або його похідних, що вибрані з алкілсечовини R1R2N(CO)NR1R2 типу, де R1, R2, R3, R4 є однаковими або різними С1-С6-алкілгрупами, а також від 5 до 15 мас. % моноацетилфероцину, розбавляють додатково водою у співвідношенні 2,5-40 мл модифікатора на 1 літр води і одержану розведену композицію дозують в систему аерації камери згоряння, зокрема через насос для системи аерації, разом з повітрям. 6. Спосіб за п. 5, який відрізняється тим, що модифікатор згоряння містить від 10 до 30 мас. %, переважно 20 мас. % води, від 20 до 40 мас. %, переважно 30 мас. % ізопропанолу, від 20 до 40 мас. %, переважно 30 мас. % n-бутанолу, від 5 до 15 мас. %, переважно 10 мас. % карбаміду, і від 5 до 15 мас. %, переважно 10 мас. % моноацетилфероцину. 7. Спосіб за п. 5, який відрізняється тим, що у разі аерації камери згоряння з холодним повітрям, модифікатор дозують шляхом розпилення, а у випадку аерації камери згоряння за допомогою гарячого повітря, застосовують котел. 8. Спосіб за п. 5, який відрізняється тим, що розраховують від 10 до 50 мл модифікатора на 3 1000 кг вугілля або від 5 до 47 мл модифікатора на 1000 м природного газу Gz-50, або від 10 до 100 мл модифікатора на 1000 літрів рідкого палива, зокрема мазуту і пічного палива, при цьому дану кількість модифікатора перераховують, виходячи з його складу для розведення водою. 9. Застосування модифікатора горіння за п. 1, який відрізняється тим, що містить від 10 до 30 мас. % води, від 20 до 80 мас. % щонайменше одного аліфатичного спирту, від 5 до 15 мас. % карбаміду або його похідних, що вибрані з алкілсечовини R1R2N(CO)NR1R2 типу, де R1, R2, R3, R4 є однаковими або різними С1-С6-алкілгрупами, і від 5 до 15 мас. % моноацетилфероцину, для збільшення виходу спалювання твердого, рідкого і газоподібного палива, як каталізатора в енергетичних котлах, а також для допалювання сажі, пічних газів та інших домішок, присутніх в камері згоряння, зокрема пилу і кам'яновугільної смоли типових речовин, і для очищення камери згоряння і каналів в енергетичних котлах від області намулу. 4 UA 99885 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 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