СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ ТОПЛИВА И ПРИСАДКА - УЛУЧШИТЕЛЬ ТОПЛИВА Российский патент 2013 года по МПК C10L9/12 C10L9/10 C01B31/00 B01D53/50 

Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение

Предлагаемое изобретение относится к способу улучшения сгорания ископаемых видов топлива, в частности, к усовершенствованному способу сжигания каменного угля, в результате которого образуется зольный побочный продукт с пониженным содержанием углерода, а также к композиции для улучшения топлива, предназначенного для использования в этом процессе.

Предпосылки создания предлагаемого изобретения

При сгорании каменного угля в качестве побочного продукта образуется зола. Летучую золу обычно улавливают в трубах тепловых электростанций, а нелетучий зольный остаток удаляют со дна топки. В Соединенном Королевстве в год образуется свыше 1000000 тонн летучей золы.

Во всем мире большая часть золы, образующейся на электростанциях, работающих на каменном угле, вывозится на полигоны для захоронения отходов, или же хранится в шлаковых отвалах. В некоторых странах введен налог на вывоз такого рода отходов на полигоны для захоронения. В последние годы ввиду увеличения расходов на хранение отходов на полигонах, а также расходов, связанных с сохранением окружающей среды, все больший интерес привлекает к себе проблема полезного использования золы.

Значительная доля каменноугольной золы приходится на пуццолановый по своей природе компонент, а это значит, что при добавлении этого компонента к гидроксиду кальция он проявляет цементирующие свойства. В принципе летучая зола может использоваться как частичный заменитель портландцемента в бетонных смесях. Производство портландцемента само по себе представляет собой энергоемкий процесс, в результате которого образуется большое количество диоксида углерода, а именно, приблизительно одна тонна диоксида углерода на тонну портландцемента. Таким образом, замена какой-то части портландцемента побочным продуктом, не находящим иного применения, могла бы существенно понизить эмиссию углерода.

Однако зола, содержащая высокий процент несгоревшего углерода, не может использоваться в качестве заменителя портландцемента, так как такая зола при приготовлении бетонной смеси склонна абсорбировать важные цементирующие химические добавки. В таком случае эти добавки не выполняют своего назначения. В качестве пуццолана желательно использовать золу с содержанием углерода 7% или ниже.

Для понижения содержания углерода с целью обеспечения возможности использовать летучую золу пуццолана, ее подвергают обработке. В качестве примеров такой обработки можно назвать дожигание летучей золы с целью выжигания углерода для понижения его содержания, электростатическое разделение летучей золы с выделением фракции с низким содержанием углерода и химическую обработку летучей золы с целью минимизации вредного действия углеродного компонента путем ослабления его абсорбирующих свойств. Все эти способы обработки требуют по меньшей мере одной дополнительной стадии обработки, что увеличивает общие расходы по производству полезного побочного продукта, а не отходов.

В Европе закон требует, чтобы электростанции понижали эмиссию оксидов азота и серы (обозначаются как NOx и SOx соответственно). Это привело к тому, что электростанции, работающие на каменном угле, снабжены горелками с низкой эмиссией NOx. Однако, обеспечивая понижение эмиссии NOx и SOx, эти горелки имеют несколько пониженную эффективность сжигания топлива, что, в свою очередь, может привести к высоким уровням углерода в золе, обычно около 20%, что делает золу нежелательным отходом.

В патентах КНР №№ CN 1077482, CN 1396239 и CN 1396239 описываются добавки, используемые при сжигании топлива. В состав таких топливных добавок входят ряд металлов и оксидов металлов, взятых в определенных пропорциях. Все эти добавки вводятся в топливо сверх стандартного количества последнего, так что количество используемого топлива не уменьшается.

Кроме того, после извлечения металлов из руд образуются миллионы тонн шлака.

Представляется желательным создание такого улучшенного способа сжигания каменного угля, при котором обеспечивается низкое содержание углерода в образующейся золе, что делало бы эту золу желательным и отвечающим требованиям рынка побочным продуктом, а не отходом, от которого надо избавляться с соблюдением норм охраны окружающей среды. Кроме того, представляется желательным создание такого улучшенного способа, при котором без снижения, а предпочтительно с повышением количества выработанной энергии и уменьшении эмиссии углерода обеспечивалось бы уменьшение количества сожженного каменного угля. Кроме того, представляется желательным найти применение для шлаковых побочных продуктов.

Краткое описание предлагаемого изобретения

Одним из аспектов предлагаемого изобретения предусматривается создание способа понижения содержания углерода в золе от сжигания топлива, включающего операцию нагревания в топке углеродного топлива в присутствии присадки - улучшителя топлива, при этом упомянутая присадка - улучшитель топлива содержит по меньшей мере один оксид металла, выбранный из следующей группы: оксид железа, оксид кальция, диоксид кремния, оксид магния и оксид алюминия, при этом средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-100 мкм.

Другим аспектом предлагаемого изобретения предусматривается создание присадки - улучшителя топлива, содержащей по меньшей мере один оксид металла, выбранный из следующей группы: оксид железа, оксид кальция, диоксид кремния, оксид магния и оксид алюминия, при этом средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-100 мкм.

Еще одним аспектом предлагаемого изобретения предусматривается создание способа получения пуццолана, включающего операцию нагревания в топке углеродного топлива в присутствии присадки - улучшителя топлива, при этом упомянутая присадка - улучшитель топлива содержит по меньшей мере один оксид металла, выбранный из следующей группы: оксид железа, оксид кальция, диоксид кремния, оксид магния и оксид алюминия, при этом средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-100 мкм, а также операцию извлечения золы из топки.

Еще одним аспектом предлагаемого изобретения предусматривается создание способа получения вяжущей композиции, включающего операцию нагревания в топке углеродного топлива в присутствии присадки - улучшителя топлива, при этом упомянутая присадка - улучшитель топлива содержит по меньшей мере один оксид металла, выбранный из следующей группы: оксид железа, оксид кальция, диоксид кремния, оксид магния и оксид алюминия, при этом средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-100 мкм, операцию извлечения золы из топки, а также операцию перемешивания золы с гидроксидом кальция.

Представляется предпочтительным, чтобы средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находился в пределах 1-80 мкм. Представляется более предпочтительным, чтобы средний размер частиц присадки - улучшителя топлива не превышал 33 мкм. Представляется еще более предпочтительным, чтобы средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находился в пределах 5-25 мкм. Представляется еще более предпочтительным, чтобы средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находился в пределах 8-20 мкм.

Обычно для введения среднего размера частиц в вышеуказанные пределы присадку - улучшитель топлива измельчают.

Представляется предпочтительным измельчение присадки - улучшителя топлива с помощью тонкого перемалывания.

Представляется предпочтительным, чтобы присадка - улучшитель топлива замещала углеродное топливо в количестве от 2,5% до 33% по массе. Представляется более предпочтительным, чтобы присадка - улучшитель топлива замещала углеродное топливо в количестве от 5% до 33% по массе. Представляется еще более предпочтительным, чтобы присадка - улучшитель топлива замещала углеродное топливо в количестве от 5% до 15% по массе.

Упомянутое углеродное топливо может быть ископаемым топливом. Представляется предпочтительным использовать в качестве упомянутого ископаемого топлива каменный уголь. Представляется более предпочтительным размалывать каменный уголь перед введением его в топку.

Еще одним аспектом предлагаемого изобретения предусматривается создание способа повышения эффективности топлива в процессе его сжигания, включающий операцию замещения некоторой части углеродного топлива, подлежащего сжиганию, присадкой - улучшителем топлива, при этом упомянутая присадка - улучшитель топлива содержит по меньшей мере один оксид металла, выбранный из следующей группы: оксид железа, оксид кальция, диоксид кремния, оксид магния и оксид алюминия.

Представляется предпочтительным, чтобы средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находился в пределах 1-1-0 мкм. Представляется более предпочтительным, чтобы средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находился в пределах 1-80 мкм. Представляется еще более предпочтительным, чтобы средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находился в пределах 3-33 мкм. Представляется еще более предпочтительным, чтобы средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находился в пределах 5-25 мкм. Представляется еще более предпочтительным, чтобы средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находился в пределах 8-20 мкм.

Способ может включать операцию уменьшения размера частиц присадки - улучшителя топлива с целью введения размера частиц в вышеуказанные пределы.

Представляется предпочтительным уменьшение среднего размера частиц присадки - улучшителя топлива с тонкого перемалывания.

С обеспечением преимущества присадка - улучшитель топлива содержит химические элементы, принадлежащие к периодам 3 и 4 (группы II-V) периодической системы элементов Менделеева.

С обеспечением преимущества присадка - улучшитель топлива содержит оксиды или другие соединения химических элементов, принадлежащих к периодам 3 и 4 (группы II-V) периодической системы элементов Менделеева.

Предлагаемым изобретением предусматривается присадка - улучшитель топлива, которую либо перемешивают с углеродным топливом перед подачей в камеру сгорания, либо вводят в камеру сгорания вместе с топливом. При нагревании эта присадка - улучшитель топлива высвобождает свободные радикалы кислорода. Присутствие этой присадки - улучшителя топлива улучшает окисление углеродной фракции каменного угля, что приводит к повышению эффективности сгорания и, тем самым, понижению содержания углерода в золе, благодаря чему в результате сгорания вместо отходов образуется полезный материал. Использование этой топливной добавки приводит также к уменьшению эмиссии газов NOx и SOx, и для того же поступления углерода топка требует меньше воздуха, так как добавочный кислород для повышения эффективности сжигания поступает от присадки - улучшителя топлива, а не от дополнительной подачи воздуха. Поскольку окисление углеродной фракции топлива увеличивается, это приводит также к уменьшению потребности в твердом топливе для получения того же энергетического выхода.

Краткое описание прилагаемых чертежей

На прилагаемых чертежах иллюстрируются предпочтительные варианты осуществления предлагаемого изобретения.

На фиг.1 показан график распределения размеров частиц присадки - улучшителя топлива после тонкого перемалывания с помощью вальцовой мельницы.

На фиг.2 представлена фотография присадки - улучшителя топлива после перемалывания и показан размер частиц.

На фиг.3 показан график, иллюстрирующий высвобождение оксида углерода (СО) при сжигании различных смесей каменного угля с присадкой - улучшителем топлива.

На фиг.4 показан график, иллюстрирующий высвобождение оксида углерода (СО) при сжигании смеси, содержащей присадку - улучшитель топлива в количестве 5% и каменный уголь в количестве 95%.

На фиг.5 показан график, иллюстрирующий высвобождение оксида углерода (СО) при сжигании различных смесей каменного угля с присадкой - улучшителем топлива.

На фиг.6 показан график, иллюстрирующий высвобождение окиси углерода (СО) при сжигании присадок - улучшителей топлива в чистом виде по сравнению с высвобождением оксида углерода (СО) при сжигании каменного угля в чистом виде.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения

Усовершенствованный способ сжигания топлива согласно предлагаемому изобретению связан с введением присадки - улучшителя топлива в главную горелку топки для сжигания каменного угля, например, на электростанции, работающей на каменном угле. Присадку - улучшитель топлива получают в виде смеси оксидов металлов, источником которых обычно являются зольные вещества, являющиеся побочным продуктом при выплавке металлов, обычно при производстве меди и никеля. Зольные вещества содержат избыточный кислород в форме оксидов металлов, и авторы предлагаемого изобретения обнаружили, что этот кислород может высвобождаться в горелку при нагревании до достаточной температуры. Присадка - улучшитель топлива может включать такие оксиды, как оксид железа, оксид кальция, диоксид кремния, оксид магния и оксид алюминия, которые указаны в приводимой ниже Таблице 1 наряду с другими оксидами. В упомянутой Таблице 1 представлены результаты рентгеновского флуоресцентного анализа двух образцов присадки - улучшителя топлива. Из тех или иных источников в тех или иных количествах могут быть получены те или иные оксиды. Состав золы может быть различным в зависимости от типа руды, из которой выплавляют металл, и от происхождения самой руды. Как можно видеть в Таблице 1, в составе присадок - улучшителей топлива преобладают оксиды железа и кремния.

Таблица 1. Рентгеновский флуоресцентный анализ состава двух присадок - улучшителей топлива Компонент Содержание в Образце 1 (%) Содержание в Образце 2 (%) Fe (общее содержание) 50,2 50,1 СаО 3,18 3,19 Si₂O 37,59 38,98 MgO 3,20 3,22 Al₂O₃ 5,57 5,72 Р 0,035 0,036 Mn 0,054 0,053 S 1,610 1,400 K₂O 0,680 0,690 V₂O₅ 0,018 0,018 TiO₂ 0,320 0,320 ZnO 0.080 0,080 PbO 0,001 0,001 Na₂O 0,600 0,600 Примечание: Железо (Fe) содержится в основном в форме Fe₂O₃.

Присадка - улучшитель топлива обычно содержит химические элементы, принадлежащие к периодам 3 и 4 (группы II-V) периодической системы элементов Менделеева, и их оксиды. Представляется предпочтительным, чтобы частицы присадки - улучшителя топлива согласно предлагаемому изобретению подвергались измельчению. Это может разрушить или деформировать кристаллические решетки химических соединений, присутствующих в присадке, или создать в этих кристаллических решетках напряжения, что может сделать входящий в состав этих химических соединений кислород более доступным для реакции с углеродом каменного угля. Кроме того, измельчение частиц присадки приводит к увеличению общей площади поверхности присадки, благодаря чему увеличивается скорость реакции. Представляется предпочтительным такой способ уменьшения размера частиц присадки, как тонкое перемалывание. Представляется предпочтительным, чтобы тонкое перемалывание частиц присадки - улучшителя топлива производилось с помощью мельницы, обеспечивающей получение тонких порошков из твердых материалов, например, с помощью шаровой мельницы или вальцовой мельницы, описанной в патентной заявке Великобритании GB0719426.9. На фиг.1 графически иллюстрируется распределение размеров частиц присадки - улучшителя топлива после пропускания ее через мельницу. В этом примере среднее значение размеров частиц составляет 18,74 мкм.

Для исследования высвобождения кислорода из присадки - улучшителя топлива были проведены эксперименты. В разных пропорциях комбинировали с каменным углем четыре состава присадки - улучшителя топлива (А, В, С и D). Составы А и В были получены из золы воздушного гашения. Состав С был получен из золы водного гашения. Сгорание каждой смеси анализировали и сравнивали со сгоранием каменного угля в чистом виде. Состав А соответствует Образцу 1 из Таблицы 1, состав В соответствует Образцу 2 из Таблицы 1, и состав С в анализе соответствует Образцу 1, но, поскольку этот образец был погашен водой, его структура отличается от структуры гашеного воздухом Состава А. Результаты анализа Состава D (американская руда) представлены в помещаемой ниже Таблице 2.

Таблица 2 Компонент (рентгеновский флуоресцентный анализ) Результаты (содержание в %) Fe (общее содержание) 63,84 Fe₂O₃ - СаО 1,11 Si₂O 4,53 MgO 0,59 Al₂O₃ 0,68 Р 0,012 P₂O₅ - Mn 0,039 MnO - S (при сжигании Леко) 0,540 K₂O 0,540 V₂O₅ 0,002 TiO₂ 0,047 BaO - ZnO 0,230 PbO 0,020 Na₂O 0,090 Cr₂O₃ -

Для каждой смеси с помощью инфракрасного трансформ-спектроскопа Фурье регистрировали высвобождение окиси углерода и углекислого газа. Результаты представлены на фиг.3, фиг.4 и фиг.5. Эти результаты свидетельствуют, что в присутствии присадки - улучшителя топлива наблюдается увеличение образования окиси углерода (СО), что указывает на то, что из присадки высвобождается кислород.

При контрольном сжигании присадок образования окиси углерода (СО) не наблюдалось (см. фиг.6).

На электростанциях, сжигающих измельченный каменный уголь, перемолотая присадка - улучшитель топлива может подмешиваться к измельченному каменному углю предварительно, перед подачей в топку. В альтернативном варианте перемолотая присадка - улучшитель топлива может подаваться в топку отдельно от каменного угля.

В одном из конкретных примеров осуществления предлагаемого изобретения приготовляли присадку - улучшитель топлива, которая содержала химические элементы, принадлежащие к периодам 3 и 4 (группы II-V) периодической системы элементов Менделеева, вместе с их оксидами и другими соединениями. Это были, в частности, такие химические элементы, как кремний, железо и магний в форме таких соединений, как Mg₆(Si₄O₁₀)(ОН) и Fe₂O₃. Композицию, составляющую присадку - улучшитель топлива, подвергали тонкому перемалыванию для получения частиц, из которых 85-90% имели размер в диапазоне 10-40 мкм, и 10-15% имели размер в диапазоне 70-80 мкм. Эти частицы вводили путем подмешивания к воздуху, подаваемому под слой топлива (первичному воздуху), нагретому до температуры от 200°С до 250°С. Впоследствии тонко измельченную присадку - улучшитель топлива впрыскивали струей в измельченный каменный уголь и перемешивали с последним до получения однородной смеси, при этом присадка - улучшитель топлива замещала каменный уголь на 6%. Затем смесь каменного угля и присадки - улучшителя топлива подавали для факельного сжигания в котельной топке. Присадку - улучшитель топлива подавали в основание факела вместе с каменным углем через горелочное устройство, работающее на измельченном каменном угле, при этом имело место ее равномерное распределение по пространству зоны сгорания углеводородного топлива. Когда присадка - улучшитель топлива достигала основания факела с температурой от 300°С до 600°С, наблюдались яркие вспышки. В результате введения присадки - улучшителя топлива потребление атмосферного воздуха снизилось на 14%. Потребление углеводородного топлива снизилось на 6%. Анализ газообразных продуктов сгорания показал 14%-ное уменьшение количества O₂ (атомарный кислород), 5%-ное уменьшение количества CO₂ (углекислый газ), 20%-ное уменьшение количества СО (окись углерода), 20%-ное уменьшение количества NOx (оксиды азота) и 3%-ное уменьшение количества SO₂ (диоксид серы). В газообразных продуктах сгорания не было метана. Температура газообразных продуктов сгорания была ниже на 15%.

Еще в одном конкретном примере осуществления предлагаемого изобретения каменный уголь сжигали совместно с присадкой - улучшителем топлива в котельной установке со слоевой топкой. Присадка - улучшитель топлива представляла собой смесь химических элементов, принадлежащих к периодам 3 и 4 (группы II-V) периодической системы элементов Менделеева, и их соединений, в частности, оксиды железа (FeO и/или Fe₂O₃), диоксид кремния (SiO₂), оксид алюминия (Al₂O₃), оксид кальция (СаО), оксид магния (MgO) и оксид марганца (MnO). Присадку - улучшитель топлива подвергали тонкому перемалыванию для получения частиц с размерами в диапазоне 70-100 мкм. Тонко перемолотую присадку - улучшитель топлива подавали в топку отдельно от топлива с обеспечением ее равномерного распределения поверх слоя каменного угля, при этом объемное замещение потребляемого топлива на котел составляло 9,5%. Снизу через колосниковую решетку подавали горячий (60°С) воздух, который поднимался кверху сквозь слои каменного угля и присадки - улучшителя топлива. Анализ газообразных продуктов сгорания, проведенный с помощью газоанализатора, показал 20%-ное уменьшение количества 02(атомарный кислород), 7%-ное уменьшение количества CO₂ (углекислый газ), 22%-ное уменьшение количества СО (окись углерода), 20%-ное уменьшение количества NOx (оксиды азота) и 4%-ное уменьшение количества SO₂ (диоксид серы). В газообразных продуктах сгорания не было метана. Температура газообразных продуктов сгорания была ниже на 20%.

Присадка - улучшитель топлива в топке замещает некоторую долю углеродного топлива. Например, присадка - улучшитель топлива может замещать 5% массы топлива, давая смесь, содержащую 95% каменного угля и 5% присадки - улучшителя топлива. Тем самым обеспечивается уменьшение количества топлива, используемого при сжигании, однако этот процесс дает больше энергии. Благодаря тому, что используется меньше углеродного топлива, содержание углерода в золе уменьшается, и уменьшаются углерод-содержащие выбросы. Количество выбросов оксидов азота (NOx) и оксидов серы (SOx) также уменьшается, так как дополнительный кислород для полного сгорания поступает из присадки - улучшителя топлива, а не за счет подачи дополнительного воздуха.

Изобретение относится к способу понижения содержания углерода в золе из топки, включающему операцию нагревания в топке ископаемого топлива в присутствии присадки - улучшителя топлива, в составе которой преобладают оксид железа и диоксид кремния. Средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-100 мкм. Изобретение относится также к способу получения пуццолана путем нагревания ископаемого топлива в топке присадки - улучшителя топлива. Использование этой топливной присадки приводит к повышению эффективности сгорания и тем самым понижению содержания углерода в золе, благодаря чему в результате сгорания вместо отходов образуется полезный материал. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

1. Способ понижения содержания углерода в золе топки, включающий операцию нагревания ископаемого топлива в топке в присутствии присадки - улучшителя топлива, в составе которой преобладают оксид железа и диоксид кремния, при этом средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-100 мкм.

2. Способ по п.1, в котором средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-80 мкм.

3. Способ по п.1 или 2, в котором размер частиц присадки - улучшителя топлива уменьшают путем тонкого перемалывания.

4. Способ по любому из пп.1-3, в котором доля замещения топлива присадкой - улучшителем топлива составляет 2,5-33 мас.%.

5. Способ по любому из пп.1-4, в котором присадка - улучшитель топлива дополнительно содержит по меньшей мере один оксид металлов, выбранный из следующей группы: оксид кальция, диоксид магния, оксид алюминия.

6. Способ по п.5, в котором ископаемое топливо - это каменный уголь.

7. Способ по п.6, в котором перед введением в топку каменный уголь подвергают измельчению.

8. Состав присадки - улучшителя топлива, в котором преобладают оксид железа и диоксид кремния, при этом средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-100 мкм.

9. Состав присадки - улучшителя топлива по п.8, в котором средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-80 мкм.

10. Состав присадки - улучшителя топлива по п.8 или 9, в котором размер частиц уменьшен путем тонкого перемалывания.

11. Способ получения пуццолана, включающий операцию нагревания ископаемого топлива в присутствии в топке присадки - улучшителя топлива, в составе которой преобладают оксид железа и диоксид кремния, при этом средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-100 мкм, а также операцию извлечения золы из топки.

12. Способ получения вяжущей композиции, включающий операцию нагревания в топке ископаемого топлива в присутствии присадки - улучшителя топлива, в составе которой преобладают оксид железа и диоксид кремния, при этом средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-100 мкм, а также операцию извлечения золы из топки и операцию перемешивания золы с гидроксидом кальция.

13. Способ повышения эффективности топлива в процессе его сжигания, включающий операцию замещения некоторой части ископаемого топлива, подлежащего сжиганию, присадкой - улучшителем топлива, в составе которой преобладают оксид железа и диоксид кремния.

14. Способ по любому из пп.11-13, в котором средний размер частиц присадки - улучшителя топлива находится в пределах 1-80 мкм.

15. Способ по любому из пп.11-14, в котором размер частиц присадки - улучшителя топлива уменьшают путем тонкого перемалывания.

16. Способ по любому из пп.11-15, в котором доля замещения топлива присадкой - улучшителем топлива составляет 2,5-33 мас.%.