КОМБИНИРОВАННОЕ ТОПЛИВО Российский патент 2012 года по МПК C10L5/44 C10L5/48 C10L9/10 

Изобретение предназначено для использования в топливно-энергетической сфере, в частности для улучшения свойств лигнина, используемого в качестве горючего. Цель достигается введением в пламя газообразного водорода, способствующего более полному сгоранию лигнина, повышению теплопередачи, за счет высокой теплопроводности водорода и продукта его сгорания - паров воды, что обеспечивает снижение теплопотерь, уменьшение вредных составляющих в продуктах сгорания и, следовательно, уменьшение давления на окружающую среду [1].

Лигнин не изготавливают специально. Лигнин и его химически модифицированные формы являются отходами лесохимических производств, образуются при реализации ряда технологий переработки древесины и нередко в больших количествах накапливаются в заводских отвалах, загрязняющих окружающую среду. Широкого применения лигнин пока не нашел. Это вещество служит сырьем для получения гранулированного активного угля, пористого кирпича, удобрений, наполнителей пластмасс и др., но чаще всего котельным топливом на тех же заводах, где был получен. Гидролизный лигнин имеет теплотворную способность, составляющую для абсолютно сухого лигнина 5500-6500 ккал/кг для продукта с 18-25%-ной влажностью 4400-4800 ккал/кг, для лигнина с 65%-ной влажностью 1500-1650 ккал/кг.

По структуре гидролизный лигнин представляет собой развитую систему микро- и макропор, что способствует удержанию большого количества воды. Эту воду стараются удалять или ее содержание сводить до возможного минимума для повышения теплотворной способности лигнина [2].

Известен ряд способов применения лигнина в качестве топлива.

В простейших случаях лигнин размалывают, сушат и сжигают в специализированных котлоагрегатах, сушат в трубах-сушилках до остаточной влажности 35-40%, а затем сжигают либо сушат, а затем брикетируют или гранулируют. Первый способ трудоемок и сложен в аппаратурном оформлении, второй отличается сложностью, взрывоопасностью и значительными выбросами лигнина в атмосферу, третий (как и первые два) - необходимостью энергетических затрат на сушку и брикетирование [3, 4, 5].

Известен способ получения топливных гранул [5], при реализации которого лигнин и(или) целлюлозный материал с влажностью более 55% по массе смешивают с карбонатом кальция и сушат в сушилках до 5-15% влажности, а затем добавляют в него 1-10% подходящего термопластичного материала (парафиновый гач, парафины, лигносульфонаты и др.) и гранулируют при температуре не менее 95°С. Для повышения теплотворной способности топлива к смеси могут быть добавлены измельченные шины, термореактивные смолы и(или) отходы нефтеперерабатывающей промышленности. Очевидно, что и этот метод, как и вышеупомянутые, обладает теми же недостатками: необходимостью предварительной сушки лигнина и сложностью аппаратурного оформления.

Известен ряд способов, включающих комбинирование лигнинов перед сжиганием с пастообразными или жидкими отходами производства - нефтяным шламом, гудроном, термогазойлем, экстрактами масляного производства, с мазутом или с кубовыми остатками и отходами органических производств [3, 4, 5, 6].

Все вышеуказанные способы имеют тот общий недостаток, что требуют доставки лигнина к месту, где находятся подходящие отходы производства, либо доставки этих отходов к месту, где имеется накопление лигнина и потребность в его использовании в качестве источника энергии. Практически все методы использования лигнина в качестве топлива сопряжены с предварительной сушкой лигнина, требующей энергетических затрат и соответствующего аппаратурного оформления.

Известно, что отходами ряда биотехнологических производств, связанных с переработкой растительной массы, является как лигнин, так и газообразный водород, также обладающий высокой теплотворной способностью [7, 8].

При биосинтезе бутанола, например, из сахаров, полученных из отходов древесины, 20-30% от массы этой древесины уходит в отвал в виде насыщенного водой лигнина, а также выделяется газообразный водород. Из 1 тонны а.с. древесины методом ферментативного гидролиза получают 600 кг сахара, 400 кг лигнина, а после дальнейшей биотрансформации еще и 210 л бутанола, а также 380 кг газов, из них 97% CO₂ и 3% Н₂ (368 кг диоксида углерода и 12 кг водорода).

Известные сложности хранения и транспортировки водорода в большинстве случаев делают целесообразным использование полученного «биоводорода» для внутренних нужд самого производства, в частности для получения тепла при сжигании совместно с лигнином.

Известен способ получения горючего из биомассы под давлением и при высокой температуре в атмосфере различных газов - азота, диоксида углерода или инертных газов, в том числе и водорода, которые используются для создания бескислородной атмосферы в разработанном в 30 годы 20 века процессе Фишера-Тропша для получения жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания. Газы для создания бескислородной атмосферы входят в состав полученного горючего пропорционально их весьма низким растворимостям, и, разумеется, их влияние на свойства полученного продукта пренебрежимо мало. Такой продукт не может считаться комбинированным горючим биомассы, в том числе и лигнина с водородом, иначе пришлось бы считать таковыми и горючее, полученное также в атмосфере азота, диоксида углерода или инертных газов, препятствующих окислению, одним из видов которого является и горение топлива в атмосфере кислорода воздуха [9]. Таким образом, упомянутый патент не может рассматриваться в качестве аналога заявленному изобретению.

Заявляемое изобретение направлено на устранение в процессе получения топлива стадии сушки лигнина, использование других отходов, требующих транспортировки к месту утилизации, повышение теплотворной способности одного из отходов производства - лигнина за счет его совместного сжигания с другим отходом того же производства - газообразным водородом и предельное упрощение аппаратурного оформления процесса, заключающееся в использовании горелок известных конструкций с незначительными техническими усовершенствованиями (см. технологию сжигания водоугольного топлива).

Наиболее близкими прототипами того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков являются лигнин мокрого помола, превращающего его в аналог водоугольной суспензии [1] и сжигаемый в специально сконструированной горелке и топливо из лигнина [5], представляющее собой смесь лигнина с отходами нефтепереработки.

Недостатками прототипов являются низкая теплотворная способность топлива, необходимость предварительной сушки лигнина, необходимость его смешивания с другими веществами, требующими доставки к источнику лигнина, повышенная зольность.

Техническими результатами заявляемого изобретения являются устранение в процессе получения топлива стадии сушки лигнина, его смешивание с твердыми или жидкими отходами, требующими транспортировки к источнику лигнина и использование известного простого аппаратурного оформления процесса сжигания, пониженная зольность комбинированного горючего, обеспеченная заменой части лигнина водородом, продуктом сгорания которого является водяной пар.

Технические результаты достигаются тем, что лигнин и водород, полученные на одном и том же производстве, сжигают в двухуровневых горелках, в которых на разных уровнях сжигают лигнин, полученный после мокрого помола, и водород, полученный в том же биотехнологическом процессе. Массовое соотношение лигнина и водорода варьируют от 9:1 до 1:9, преимущественно от 2:1 до 1:3. Теплотворную способность комбинированного топлива можно оценить, учитывая теплотворную способность лигнина, его обводненность, теплотворную способность водорода и его количество в составе комбинированного топлива.

Таким образом, совокупность отличительных признаков описываемого изобретения обеспечивает достижение указанного результата.

В результате проведенного анализа уровня техники совместного сжигания лигнина и водорода аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна". Простота решения, не реализованного до сегодняшнего дня, свидетельствует о соответствии предлагаемого изобретения условию "изобретательский уровень".

Таким образом, изложенные выше сведения свидетельствуют о том, что заявленное изобретение, предназначенное для совместного сжигания отходов биотехнологических производств - лигнина и водорода - обладает заявленными выше свойствами. Для заявленного устройства в том виде, как он охарактеризован в изложенной формуле изобретения, нет препятствий его осуществления на практике с использованием распространенных и доступных средств электроники и автоматики. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Венцюлис Л.С., Донченко В.К., Скорик Ю.И. Полидисперсные и смешанные топлива: экологический и экономический аспекты использования. СПб., Издательство «Агусбук», 2009, 198 с.

2. Холькин Ю.И. Технология гидролизных производств. - М., "Лесная промышленность", 1989 г., с.438-444.

3. RU 2129142 Нижегородцев В.И.; Нижегородцева С.В.; Нижегородцева Т.В.; Торопова Л.В. Способ получения топлива из лигнина. 1996.

4. RU 2147029 Топливный брикет и способ его получения. Лурий В.Г. 1999.

5. WO 79/00988, 29.11.79.

6. Чернова Н.И., Коробкова Т.П., Киселева С.В. Биомасса как источник энергии. Вестник Российской академии естественных наук, 2010, №1, с.54-60.

7. Кондратьева Е.Н., Гоготов И.Н. Молекулярный водород в метаболизме микроорганизмов. М.: Наука, 1981. 342 с.

8. Акопян В.Б., Сычев А.Е. Водород - ценный побочный продукт производства «биобутанола». Альтернативная энергетика и экология. 2009, №6, с.8-12.

9. US 2008/0016752 A1.

Изобретение относится к топливно-энергетической сфере для улучшения свойств лигнина, используемого в качестве горючего. Комбинированное горючее включает лигнин и водород в массовом соотношении лигнина к водороду от 9:1 до 1:9, преимущественно от 2:1 до 1:3. Технический результат - более полное сгорание лигнина, снижение зольности горючего.

Комбинированное горючее, включающее лигнин и водород в массовом соотношении лигнина к водороду от 9:1 до 1:9, преимущественно от 2:1 до 1:3, и отличающееся пониженной зольностью.