СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО СЖИГАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА Российский патент 2002 года по МПК F23C1/00 

Изобретение относится к энергетике и химической технологии и может применяться для повышения коэффициента использования теплотворной способности углеводородных топлив.

К углеводородным топливам можно отнести твердые, жидкие и газообразные вещества ископаемого и искусственного происхождения, обязательно содержащие в своем составе углерод и водород (таблица).

Известен способ сжигания твердого углеводородного топлива путем полного высокотемпературного окисления его углеродистой составляющей кислородом воздуха по реакции:
С+O₂-->СO₂ + 94,05 ккал/г-атом С {1} [1].

Недостатком известного способа является то, что на практике полного окисления не происходит и коэффициент использования теплотворной способности твердого топлива при окислении его кислородом воздуха весьма далек от 100%.

Известен способ сжигания твердого углеводородного топлива путем его высокотемпературного неполного окисления кислородом воздуха по реакции:
С + 1/2O₂-->СО + 26,55 ккал/г-атом С {2}.

Сжигание твердого топлива по известному способу осуществляется в специальных двухкамерных устройствах - газогенераторах, где в первой камере осуществляется неполное окисление углеродистой составляющей топлива в толстом слое с недостатком воздуха, а образующийся по реакции {2} оксид углерода (так называемый "генераторный газ") дожигается во второй камере [2].

Широкое распространение, в частности, получило сжигание по известному способу дров [3, 4].

Недостатком известного способа является то, что твердый углеродистый материал, применяемый в газогенераторах, должен обладать способностью к автогенному окислению, то есть должен гореть. Это приводит к тому, что сжигание в газогенераторе тощих некоксующихся углей, дающих плотный углеродистый остаток малой реактивности, требует принятия специальных мер (повышения температуры или давления или того и другого вместе), а негорючий углеродистый материал (например, графит) использовать вообще невозможно. Кроме того, недостатком известного способа является то, что тепло экзотермической реакции {2} выделяется на месте - в первой камере.

Известен способ, принятый за прототип, сжигания твердого углеводородного топлива путем его окисления водяным паром по реакции:
Н₂O + С--->СО + Н₂ - 31,05 ккал/г-атом С {3}.

Сжигание твердого топлива по известному способу осуществляется в специальных газогенераторах путем продувания водяного пара через газопроницаемый слой раскаленного угля и последующего дожигания образовавшихся оксида углерода и водорода (так называемого "водяного газа")[5].

Достоинством известного способа является повышение коэффициента использования теплотворной способности твердого топлива, так как, хотя тепловой эффект реакции { 3} составляет: -Qp = - 31,05 ккал/г-атом С, однако при сжигании полученных оксида углерода и водорода по реакциям:
СО + ¹/₂O₂ --> СO₂ + 67,5 ккал/г-моль СО {4}
и
H₂+¹/₂O₂ --> Н₂O + 57,6 ккал/г-моль Н₂ {5},
суммарный тепловой эффект реакции составит 67,5+57,6-31,05 = 94,05 ккал/г-атом С, то есть коэффициент использование теплотворной способности углерода (твердого топлива) возрастает до теоретического.

Недостатки известного способа определяются тем, что реакция {3} является эндотермической, то есть ее протекание приводит к охлаждению слоя твердого топлива. Отсюда возникает необходимость чередовать пропускание водяного пара с пропусканием в газогенератор воздуха (чередовать получение "генераторного" и "водяного газа"), либо одновременно продувать через слой раскаленного угля воздух и водяной пар с получением "смешанного" газа. В любом случае затраты тепла на протекание реакции {3} необходимо компенсировать теплом экзотермических реакций { 1} и {2}, то есть часть тепла теряется в первой камере газогенератора.

Известен способ, принятый за аналог, сжигания газообразного (природный газ, состоящий в основном из метана), а также жидкого (мазут, газойль, соляровое масло) углеводородного топлива путем его высокотемпературного окисления кислородом воздуха в специальных горелках [6].

В известном способе окисление углеводородных топлив происходит с образованием в качестве продуктов реакции диоксида углерода и водяного пара по общей схеме:
CnHm + (n+m/4)O₂-->nCO₂ + m/2H₂O + Q {6}.

Недостатком известного способа является то, что тепловой потенциал продуктов сгорания углеводородного топлива (диоксид углерода и водяной пар) практически не используется.

Задачей изобретения является создание комбинированного способа сжигания углеводородного топлива, позволяющего получать водяной газ без пропускания воздуха сквозь слой твердого топлива, а путем взаимодействия с ним имеющих высокую температуру продуктов сгорания газообразного или жидкого углеводородного топлива.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе сжигания углеводородного топлива, включающем окисление жидкого или газообразного топлива кислородом воздуха, согласно изобретению продукты сгорания - диоксид углерода и вода - пропускаются при температуре свыше 700^oС через газопроницаемый слой твердого углеводородного топлива, окисляя его, продукты окисления - оксид углерода и водород - смешиваются с воздухом и дожигаются либо собираются в специальном устройстве для последующей утилизации, а в качестве твердого углеводородного топлива используются древесные отходы, торф, каменный уголь, горючий сланец, нефтешлам или графит.

Пример осуществления предлагаемого способа.

При сжигании (окислении) метана выделяется тепло в соответствии с реакцией:
СН₄+2O₂-->СO₂+2Н₂О + Q {7}
Теплота сгорания метана Qc =212,8 ккал/моль CH₄. Если горячие (свыше 700^oС) продукты сгорания метана - углекислый газ CO₂ и пары воды Н₂О - пропустить через газопроницаемый слой твердого топлива, то они прореагируют с углеродом по следующим реакциям:
СO₂ + С --> 2СО -Q {8}
тепловой эффект реакции -Qp = - 41,0 ккал/моль CН₄;
и
2Н₂O + 2С --> 2СО + 2Н₂ {9}
тепловой эффект реакции -Qp = -31,05 х 2 = -62,1 ккал/моль CН₄.

Затраты тепла на превращение углекислого газа и воды, образованных при сгорании 1 грамм-молекулы метана, в окись углерода (4 моля) и водород (2 моля) составят: 41,0+62,1 = 103,1 ккал.

В то же время количество теплоты, выделившееся при окислении (сжигании) четырех молей окиси углерода и двух молей водорода по реакциям {4, 5}, составит: 67,5 х 4 + 57,6 х 2 = 385,2 ккал/моль СН₄.

Таким образом, суммарный энергетический эффект реакций сжигания метана, конверсии продуктов сгорания метана твердым топливом и дожигания продуктов конверсии по следующим реакциям:
СН₄+2O₂-->СO₂+2Н₂O+212,8 ккал/моль СН₄
СO₂+С-->2СО -41,0 ккал/моль СН₄
2Н₂O+2С-->2СО+ 2Н₂ - 62,1 ккал/моль СН₄
4СО+2O₂-->4СO₂+ 270,0 ккал/моль СН₄
2Н₂+O₂-->2Н₂О + 115,2 ккал/моль СН₄
составит 494,9 ккал/моль CH₄.

Вовлечение в процесс сжигания метана углерод твердого топлива (например, каменного угля или графита) повышает коэффициент использования теплотворной способности метана в 2,3 раза.

Таким образом, можно осуществлять комбинированное сжигание углеводородного топлива, газифицируя твердое топливо не за счет тепла его окисления, а за счет тепла горячих продуктов сгорания газообразного или жидкого углеводородного топлива.

Источники информации
1. Реакции углерода с газами //Под ред. Е.С. Головиной. - М.: ИЛ, 1963, с. 11-16.

2. Некрасов Б.В. Курс общей химии. - М.-Л.: ГОНТИ, 1948, с. 452-483.

3. Газогенераторная печь А. Ламбера. - "Правда" от 25.08.89.

4. Газогенераторные устройства, работающие на дровах. - "Правда" от 02.11.89.

5. Некрасов Б. В. Курс общей химии. М.-Л.: ГОНТИ, 1948, с. 452-483 - (прототип).

6. Перельман В. И. Краткий справочник химика. - М.: ГОНТИ, 1956, с. 284-303.

Изобретение относится к энергетике и химической технологии и может применяться для повышения коэффициента использования теплотворной способности углеводородных топлив. Указанный технический результат достигается тем, что в способе сжигания углеводородного топлива, включающем окисление жидкого или газообразного топлива кислородом воздуха, согласно изобретению продукты сгорания - диоксид углерода и вода - пропускаются при температуре свыше 700^oС через газопроницаемый слой твердого углеводородного топлива, окисляя его, продукты окисления - оксид углерода и водород - смешиваются с воздухом и дожигаются, либо собираются в специальном устройстве для последующей утилизации, а в качестве твердого углеводородного топлива используются древесные отходы, торф, каменный уголь, горючий сланец, нефтешлам или графит. Таким образом, можно осуществлять комбинированное сжигание углеводородного топлива, газифицируя твердое топливо не за счет тепла его окисления, а за счет тепла горячих продуктов сгорания газообразного или жидкого углеводородного топлива. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ сжигания углеводородного топлива, включающий окисление жидкого или газообразного топлива кислородом воздуха, отличающийся тем, что продукты сгорания - диоксид углерода и вода - пропускаются при температуре свыше 700^oС через газопроницаемый слой твердого углеводородного топлива, окисляя его, продукты окисления - оксид углерода и водород - смешиваются с воздухом и дожигаются. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что продукты окисления твердого углеводородного топлива - оксид углерода и водород - собираются в специальном устройстве для последующей утилизации. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что качестве твердого углеводородного топлива используются древесные отходы, торф, каменный уголь, горючий сланец, нефтешлам или графит.