PL209480B1

PL209480B1 - Modyfikator spalania paliw stałych, płynnych i gazowych, zwłaszcza drewna, gazu ziemnego, węgla, mazutu i innych węglowodorów, sposób modyfikowania procesu spalania paliw oraz zastosowanie modyfikatora spalania paliw

Info

Publication number: PL209480B1
Application number: PL387423A
Authority: PL
Inventors: Marek Majcher
Original assignee: Przedsiębiorstwo Wielobranżowe Prima Społka Z Ograniczoną Odpowiedzialno&Sac; Przedsiębiorstwo Wielobranżowe Prima Społka Z Ograniczoną Odpowiedzialnością
Priority date: 2009-03-07
Filing date: 2009-03-07
Publication date: 2011-09-30
Also published as: RU2515988C2; WO2010104407A8; UA99885C2; RU2011137494A; EP2226377B1; CN102341486A; PL387423A1; EP2226377A1; WO2010104407A1; US20110305999A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest modyfikator spalania paliw stałych, płynnych i gazowych, zwłaszcza drewna, gazu ziemnego, węgla, mazutu i innych węglowodorów, sposób modyfikowania procesu spalania paliw oraz zastosowanie modyfikatora spalania paliw.

Procesy spalania paliw stałych, płynnych i gazowych są wciąż udoskonalane. Zwłaszcza badane są wszelkie metody pozwalające na zwiększenie wydajności procesu oraz ograniczenie emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Często są stosowane różnego rodzaju dodatki modyfikujące procesy zachodzące w czasie spalania paliw w kotłach energetycznych. Zwłaszcza pożądane jest zapobieganie osadzaniu się sadzy i innych złogów w kotłach opalanych węglem kamiennym lub brunatnym oraz koksem i miałem węglowym.

W polskim opisie patentowym PL165406 ujawniono katalizator do dopalania sadzy, który zawiera chlorek sodu, chlorek amonu, uwodniony siarczan miedzi oraz wodorotlenek wapnia. Katalizator jest mieszaniną związków nieorganicznych w stanie stałym i stosuje się go, jako dodatek do paliw stałych.

Pochodne ferrocenu należą do grupy związków metaloorganicznych z grupy kompleksów cyklopentadienylowych. Kompleksy z żelazem II tworzą układ sandwichowy, w którym dwa ligandy wiążą się ze znajdującym się między nimi kationem metalu. Pochodne tego rodzaju są znane i stosowane jako katalizatory procesów chemicznych.

Z japo ń skiego opisu zgł oszeniowego JP2000247990 znane jest zastosowanie kompleksów cyklopentadienowych w syntezie chemicznej np. przy wytwarzaniu amin aromatycznych.

Ze szwajcarskiego opisu patentowego CH 599464 znane jest zastosowanie ferrocenu jako katalizatora procesów spalania do zastosowania jako dodatek do paliw użytych w silnikach np. samochodowych.

Celem wynalazku jest opracowanie uniwersalnego modyfikatora spalania wszelkiego rodzaju paliw w kotłach energetycznych, który pełni funkcję katalizatora ograniczającego osadzanie sadzy i substancji smolistych, zapewnia ich dopalanie oraz obniża emisję niepożądanych substancji, np. tlenku węgla do atmosfery a jednocześnie znacznie poprawia wydajność procesów spalania obniżając zużycie stosownych paliw.

Przedmiotem wynalazku jest modyfikator spalania paliw stałych, płynnych i gazowych, zwłaszcza drewna, gazu ziemnego, węgla, mazutu i innych węglowodorów, w kotłach energetycznych, w komorach zamknię tych lub otwartych, charakteryzują cy się tym, ż e zawiera od 10 do 30% wagowych wody, od 20 do 80% wagowych co najmniej jednego alkoholu alifatycznego, od 5 do 15% wagowych karbamidu lub jego pochodnych, oraz od 5 do 15% wagowych monoacetyloferrocenu.

Korzystnie modyfikator zawiera od 10 do 30% wagowych wody, od 20 do 40% wagowych izopropanolu, od 20 do 40% wagowych n-butanolu, od 5 do 15%, wagowych karbamidu oraz od 5 do 15% wagowych monoacetyloferrocenu, korzystniej zawiera od 15 do 25% wagowych wody, od 25 do 35% wagowych izopropanolu, od 25 do 35% wagowych n-butanolu, od 8 do 12% wagowych karbamidu oraz od 8 do 12% wagowych monoacetyloferrocenu.

Korzystnie modyfikator zawiera 20% wagowych wody, 30% wagowych izopropanolu, 30% wagowych n-butanolu, 10% wagowych karbamidu oraz 10% wagowych monoacetyloferrocenu.

Przedmiotem wynalazku jest również sposób modyfikowania procesu spalania paliw stałych, płynnych i gazowych, zwłaszcza drewna, gazu ziemnego, węgla, mazutu i innych węglowodorów, w kotłach energetycznych, w komorach zamkniętych lub otwartych, charakteryzujący się tym, że modyfikator spalania zawierający od 10 do 30% wagowych wody, od 20 do 80% wagowych co najmniej jednego alkoholu alifatycznego, od 5 do 15% wagowych karbamidu lub jego pochodnych, oraz od 5 do 15% wagowych monoacetyloferrocenu rozcieńcza się dodatkowo wodą w proporcji 2,5-40 ml modyfikatora na 1 litr wody i otrzymaną rozcieńczoną kompozycję dozuje się do układu napowietrzania komory spalania, korzystnie poprzez pompowanie wraz z powietrzem do układu napowietrzania.

Korzystnie w sposobie stosuje się modyfikator zawierający od 10 do 30%, korzystniej 20% wagowych wody, od 20 do 40%, korzystniej 30% wagowych izopropanolu, od 20 do 40%, korzystniej 30% wagowych n-butanolu, od 5 do 15%, korzystniej 10% wagowych karbamidu oraz od 5 do 15%, korzystniej 10% wagowych monoacetyloferrocenu.

W przypadku napowietrzania komory spalania chłodnym powietrzem modyfikator dozuje się drogą rozpylania, a w przypadku napowietrzania komory spalania gorącym powietrzem stosuje się parownik.

W sposobie dozuje się od 10 do 50 ml modyfikatora na 1000 kg wę gla lub od 5 do 47 ml modyfikatora na 1000 m³ gazu ziemnego Gz-50 lub od 10 do 100 ml modyfikatora na 1000 litrów płynnych

PL 209 480 B1 paliw takich jak mazut i olej opałowy, przy czym podane ilości modyfikatora podano w przeliczeniu na jego kompozycję przed dodatkowym rozcieńczeniem wodą.

Przedmiotem wynalazku jest także zastosowanie modyfikatora spalania określonego powyżej do zwiększania wydajności spalania paliw stałych, płynnych i gazowych oraz jako katalizatora w kotłach energetycznych, a także do dopalania sadzy, spalin i innych obecnych w komorze spalania zanieczyszczeń, na przykład pyłów i substancji smolistych oraz do oczyszczania ze złogów komory spalania i kanałów w kotłach energetycznych.

Jedynym z najbardziej perspektywicznych kierunków przy wykorzystaniu modyfikatora spalania według wynalazku jest zastosowanie do modyfikacji procesu spalania paliw w kotłach firm ciepłowniczych i wytwarzających energię. W trakcie badań wykazano, że obniżenie zużycia względnego przy spalaniu paliwa modyfikowanego stanowi dla gazu ziemnego GZ-50 nie mniej niż 4 - 6%, dla oleju diesla 8 -12%, a dla mazutu i węgla 10 - 15%.

Doświadczenia nad praktycznym wdrożeniem modyfikatora według wynalazku tj. między innymi kompozycją modyfikatora nazwaną Reduxco (zgłoszony do Urzędu Patentowego RP znak towarowy, numer zgłoszenia Z-350906) udowodniły możliwość uzyskania oszczędności paliwa na jednostkę produkowanego wyrobu nawet do 25%. Dodatkową efektywność procesów uzyskano drogą wprowadzenia nieznacznej ingerencji w system napowietrzania komory spalania, co nie wymaga zmian konstrukcyjnych w budowie samego kotła. Zastosowanie modyfikatora według wynalazku doprowadza urządzenia kotłowe do dobrego stanu bez konieczności wprowadzania zmian w wyposażeniu kotłowni.

Istotne jest również, że modyfikator działa we wszystkich sekcjach kotła tj. w obszarze paleniska, komory spalania i wszelkich kanałów, przewodów kominowych, co sprawia, że w całym wymienionym obszarze zachodzą korzystne przemiany i następuje dopalenie spalin, pyłów i złogów również poza paleniskiem kotła.

Modyfikator według wynalazku może być z powodzeniem stosowany w kotłach energetycznych wszelkiego typu np. OR, OP, OB, WP, WR, EK, BB, z zastosowaniem różnych paliw takich jak węgiel kamienny i brunatny, różnego rodzaju brykiety, biopaliwa i ich kompozycje w mieszaninie z odpadami węglowymi, paliw na bazie drewna i wszelkich odpadów drewnianych, ewentualnie przetworzonych lub nie, niskogatunkowych paliw tego typu na bazie torfu, trocin, kory drewnianej, słomy. Wynalazek stosuje się również dla paliw gazowych i płynnych takich jak mazut czy olej, również różnych mieszanek i paliw zanieczyszczonych.

Zastosowanie modyfikatora według wynalazku pozwala na stosowanie jako paliwa bardzo mokrych materiałów takich jak drewno, słoma i innych paliw celulozowych o wysokiej wilgotności. Modyfikator umożliwia również utylizację poprzez spalanie takich odpadów jak tworzywa sztuczne, odpady mięsno-kostne i substancje chemiczne bez zagrożenia dla środowiska. Zawartość wilgoci powinna wynosić około 50% aby proces przebiegał prawidłowo. Produktami spalania są jedynie dwutlenek węgla i para wodna.

W pierwszym etapie z masy organicznej powstaje tlenek wę gla. W drugim etapie jest spalany do dwutlenku węgla. W etapie tym następuje rozkład wody (pary wodnej) na wodór i tlen. Etap ten wymaga w normalnych warunkach temperatury około 1600°C. Przy zastosowaniu modyfikatora według wynalazku temperatura procesu może być obniżona do 450 - 850°C. W trzecim etapie następuje spalanie wodoru z wydzieleniem dużych ilości ciepła.

Zasadniczym składnikiem modyfikatora według wynalazku jest kompleks będący nośnikiem żelaza - monoacetyloferrocen, inaczej cyklopenta-1,3 dieno; 1-(1-cyklopenta-2,4-dienylideno)etanolan kationu żelaza 2+. W zachodzących w czasie procesów spalania przemianach decydujące znaczenie ma obecność w środowisku reakcji grup hydroksylowych. Modyfikator zawiera również karbamid lub jego pochodne takie jak alkilomocznik typu R1R2N(CO)NR3R4, gdzie R1, R2, R3, R4 są takie same lub różne i stanowią grupy C1-C6 alkilowe np. metylenowe lub etylenowe.

Alkohole alifatyczne stosowane w modyfikatorze według wynalazku mogą mieć proste lub rozgałęzione łańcuchy. Modyfikator powinien zawierać co najmniej jeden alkohol (nośnik grup OH). Korzystnie alkohol jest wybrany z grupy alkoholi C₃-C₁₁, korzystniej C₃-C₈, zwłaszcza C₃-C₆. Przykładami stosowanych alkoholi są etanol, propanol, izopropanol, n-butanol, pentanol, heptanol i oktanol. Poprzez dobór alkoholu zmienia się udział grup hydroksylowych w stosunku do ilości atomów węgla w łańcuchu, a tym samym zmienia się udział grup hydroksylowych w stosunku do masy pozostałych składników modyfikatora.

Korzystne efekty otrzymuje się stosując alkohole o pośrednich długościach łańcuchów np. izopropanol i n-butanol. W modyfikatorze stosuje się więc korzystnie mieszaninę tych dwóch alkoholi. Modyfikator może jednak zawierać tylko jeden alkohol z wymienionej grupy lub mieszaninę trzech albo czterech alkoholi.

Mieszanina modyfikatora może również zawierać dodatki, które nie wpływają na jego właściwości np. barwniki, które umożliwiają rozróżnienie różnych typów modyfikatora.

PL 209 480 B1

Można przypuszczać, że w czasie procesów spalania w mieszaninie reakcyjnej powstają złożone ligandy na bazie N-rodnika z centrum kompleksującym w postaci jonu żelaza z wbudowanymi grupami hydroksylowymi i łańcuchami węglowodorowymi w odpowiednim położeniu.

Orientacyjnie można określić te związki jako pochodne typu C5H5FeC5H4COCmHn. Jest to jednak jedynie wzór poglądowy i w mieszaninie reakcyjnej nie można wydzielić tego rodzaju związków.

Uważa się, że sposób według wynalazku poprzez zastosowanie specyficznego modyfikatora spalania prowadzi do powstawania nanostruktur węglowych (nanorurek węglowych), które podnoszą wydajność zachodzących procesów spalania. Modyfikator wpływa na szybkość reakcji łańcuchowej spalania i zwiększa moc promieniowania (świecenia) ultraczerwonego i ultrafioletu w zakresie niższych temperatur. Zmniejsza rozmiar płomienia i podwyższa jego moc świecenia co doprowadza do efektu zwiększenia temperatury i emisji ciepła przez promieniowanie. Wzrost temperatury wymusza na obsłudze zmniejszenie ilości dostarczanego paliwa co w konsekwencji doprowadza do zmniejszenia jego zużycia. Jednocześnie konsekwencją zachodzących procesów jest oddziaływanie na części elementów grzejnych i ich oczyszczanie. Ponadto oczyszczanie powierzchni w komorze spalania w konwekcyjnej części kotła z sadzy i kopcia pozwala w urządzeniach cieplno-energetycznych spalać węgiel o niższej kaloryczności. Nie ma przy tym konieczności zmiany ich konstrukcji czy wyposażenia.

Stabilne spalanie i wcześniejszy efekt promieniowania pozwala na wyłączenie dodatkowego źródła podtrzymania temperatury w palenisku np. płomienia gazowego. W wyniku zachodzących przemian chemicznych modyfikator Reduxco redukuje w znacznym stopniu ilość gazów emisyjnych i ich toksyczność.

W sposobie według wynalazku kompozycja modyfikatora podawana jest pompą dozującą w system pompowania powietrza, przy czym nie ma tu znaczenia temperatura podawanego powietrza. Modyfikator jest dozowany w postaci roztworu wodnego poprzez rozpylenie w powietrzu zasysanym do kotła, a następnie tłoczony do komory spalania. W przypadku chłodnego powietrza dozowany jest przy pomocy wtryskiwacza a przy gorącym stosuje się parownik, z którego modyfikator wyparowuje w strumieniu gorącego powietrza i jest zasysany do układu spalania w kotle.

P r z y k ł a d 1

Przygotowano wodny roztwór modyfikatora o następującym składzie: 20% wagowych wody, 30% wagowych izopropanolu, 30% wagowych n-butanolu, 10% wagowych karbamidu i 10% wagowych monoacetyloferrocenu.

P r z y k ł a d 2

Przygotowano wodny roztwór modyfikatora o następującym składzie: 30% wagowych wody, 35% wagowych izopropanolu, 25% wagowych n-butanolu, 5% wagowych karbamidu, 5% wagowych monoacetyloferrocenu.

P r z y k ł a d 3

Przygotowano wodny roztwór modyfikatora o następującym składzie: 20% wagowych wody, 50% wagowych izopropanolu, 15% wagowych karbamidu i 15% wagowych monoacetyloferrocenu.

W tabeli przedstawiono wyniki analizy właściwości fizyko-chemicznych modyfikatora według wynalazku.

Analiza	Wartość	Jednostka	Metoda oznaczania
CIEPŁO SPALANIA	8,2835	MJ/kg	KALORYMETR
ZAWARTOŚĆ CHLORU	0,0297	%	CHROMATOGRAFIA JONOWA
ZAWARTOŚĆ SIARKI	0,0038	%	CHROMATOGRAFIA JONOWA
POPIÓŁ		%	PN-EN 15169
TEMPERATURA ZAPŁONU	>55	°C	PN-EN ISO 3680
PH	2		TEST MN 902 04
TEST H2O2	0	mg/dm³	TEST MN QUANTOFIX 913 12
TEST NO3 NO2	0/0	mg/dm³	TEST MN QANTOFIX 913 13
TEST CN^-	wynik ujemny		TEST MN 906 04
ZWIĄZKI UTLENIAJĄCE	wynik ujemny		TEST MN 907 54

PL 209 480 B1

P r z y k ł a d 4

Modyfikator z przykładu 1 rozcieńczono wodą w stosunku 5, 10 i 30 ml na 1 litr wody. Uzyskany roztwór dozowano pod ciśnieniem z szybkością 5 ml/godzinę w kotłach energetycznych, w którym jako paliwo zastosowano węgiel, gaz ziemny Gz - 50 lub mazut. W przeliczeniu na masę paliwa zastosowano 10, 20 lub 30 ml rozcieńczonego modyfikatora na 1000 kg węgla, albo 10, 20 i 30 ml rozcieńczonego modyfikatora na 1000 m³ gazu ziemnego Gz-50, lub 20, 40 i 80 ml rozcieńczonego modyfikatora na 1000 l mazutu. Dozowanie prowadzono również w kotle opalanym węglem z układem zawracania gorącego powietrza. Modyfikator z przykładu 1 w rozcieńczeniu 10 ml modyfikatora na 1 l wody dozowano poprzez odparowanie w układzie z parownikiem, przez który poprowadzono zawracane gorące powietrze z kotła.

Stosując modyfikator z przykładu 1 w porównaniu do procesów spalania węgla bez modyfikatora uzyskano zysk cieplny w wysokości co najmniej 1890 kJ/tonę węgla.

Claims

1. Modyfikator spalania paliw stałych, płynnych i gazowych, zwłaszcza drewna, gazu ziemnego, węgla, mazutu i innych węglowodorów, w kotłach energetycznych, w komorach zamkniętych lub otwartych, znamienny tym, że zawiera od 10 do 30% wagowych wody, od 20 do 80% wagowych co najmniej jednego alkoholu alifatycznego, od 5 do 15% wagowych karbamidu lub jego pochodnych, oraz od 5 do 15% wagowych monoacetyloferrocenu.

2. Modyfikator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera od 10 do 30% wagowych wody, od 20 do 40% wagowych izopropanolu, od 20 do 40% wagowych n-butanolu, od 5 do 15%, wagowych karbamidu oraz od 5 do 15% wagowych monoacetyloferrocenu.

3. Modyfikator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera od 15 do 25% wagowych wody, od 25 do 35% wagowych izopropanolu, od 25 do 35% wagowych n-butanolu, od 8 do 12% wagowych karbamidu oraz od 8 do 12% wagowych monoacetyloferrocenu.

4. Modyfikator według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera 20% wagowych wody, 30% wagowych izopropanolu, 30% wagowych n-butanolu, 10% wagowych karbamidu oraz 10% wagowych monoacetyloferrocenu.

5. Sposób modyfikowania procesu spalania paliw stałych, płynnych i gazowych, zwłaszcza drewna, gazu ziemnego, węgla, mazutu i innych węglowodorów, w kotłach energetycznych, w komorach zamkniętych lub otwartych, znamienny tym, że modyfikator spalania zawierający od 10 do 30% wagowych wody, od 20 do 80% wagowych co najmniej jednego alkoholu alifatycznego, od 5 do 15% wagowych karbamidu lub jego pochodnych, oraz od 5 do 15% wagowych monoacetyloferrocenu rozcieńcza się dodatkowo wodą w proporcji 2,5 - 40 ml modyfikatora na 1 litr wody i otrzymaną rozcieńczoną kompozycję dozuje się do układu napowietrzania komory spalania, korzystnie poprzez pompowanie wraz z powietrzem do układu napowietrzania.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że modyfikator spalania zawiera od 10 do 30%, korzystnie 20% wagowych wody, od 20 do 40%, korzystnie 30% wagowych izopropanolu, od 20 do 40%, korzystnie 30% wagowych n-butanolu, od 5 do 15%, korzystnie 10% wagowych karbamidu oraz od 5 do 15%, korzystnie 10% wagowych monoacetyloferrocenu.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w przypadku napowietrzania komory spalania chłodnym powietrzem modyfikator dozuje się drogą rozpylania, a w przypadku napowietrzania komory spalania gorącym powietrzem stosuje się parownik.

8. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że dozuje się od 10 do 50 ml modyfikatora na 1000 kg węgla lub od 5 do 47 ml modyfikatora na 1000 m³ gazu ziemnego Gz-50 lub od 10 do 100 ml modyfikatora na 1000 litrów płynnych paliw takich jak mazut i olej opałowy, przy czym podane ilości modyfikatora podano w przeliczeniu na jego kompozycję przed rozcieńczeniem wodą.

9. Zastosowanie modyfikatora spalania określonego w zastrz. 1, do zwiększania wydajności spalania paliw stałych, płynnych i gazowych oraz jako katalizatora w kotłach energetycznych, a także do dopalania sadzy, spalin i innych obecnych w komorze spalania zanieczyszczeń, na przykład pyłów i substancji smolistych oraz do oczyszczania ze złogów komory spalania i kanałów w kotłach energetycznych.