МОДИФИКАТОР ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 2019 года по МПК C10L10/00 C10L1/30 C10L1/00 C10L9/10 C10L5/00 

Изобретение относится к области каталитической химии, а именно к модификаторам горения топлива разного агрегатного состояния (твердого, жидкого или газообразного), различного состава и происхождения, в частности, угля, природного газа, древесины, дизельного топлива, мазута, растительных и органических отходов разного состава и происхождения. Модификатор предназначен для интенсификации процесса горения топлива в закрытых камерах и котлах энергетических установок.

Известно, что переходные металлы, содержащиеся в ацетилацетонатах, являются не только хорошими катализаторами процессов крекинга, деструкции, изомеризации и дегидрирования (Каталитические свойства веществ. Справочник. / под. ред. Ройтера В.А. / - Киев, Наукова думка, 1968. - 1464 с.), но и катализаторами процессов окисления в газовой фазе (Каталитические свойства веществ. Справочник, т. 4. - Киев, Наукова думка, 1977. - 296 с.).

Известна многофункциональная комплексная присадка к топливам на основе ацетилацетонатов металлов и эфира ортокремневой кислот, дополнительно содержащая оксигенаты, амины, нитрилы и ароматические углеводороды при следующем соотношении компонентов (% вес): эфир ортокремневой кислоты 0,1-70, ацетилацетонат металла 0,001-5,0, растворимое в топливе соединение металла 0-5,0, оксигенаты 0-30, нитрилы 0-10, амины 0-45, ароматический углеводород 0-20, топливо до 100. Данная присадка позволяет снизить содержание вредных веществ в отработавших газах, снизить отложения на впускных и выпускных клапанах, а также повысить полноту сгорания топлива (патент РФ на изобретение №2609767, МПК: C10L 1/18, C10L 1/28, C10L 1/12, C10L 10/00).

Недостатком данной присадки является её многокомпонентный состав и возможность применения только для получения моторных топлив.

Известна также железосодержащая топливная композиция, используемая в качестве горючего на базе бензина, содержащая 5⋅10^-6 - 2⋅10^-4 % ацетилацетоната железа (III) и 0,005-0,02% тетраэтоксисилана в смеси с продуктами его гидролиза - димером, тримером и тетрамером. Данная композиция позволяет снижать содержание вредных веществ в отработавших газах двигателя внутреннего сгорания и экономить топливо (патент РФ на изобретение №2158289, МПК:C10L 1/18, C10L 1/28).

Недостаток данной композиции заключается в преимущественном составе самого бензина и наличии продуктов гидролиза тетраэтоксисилана.

Известен металлосодержащий катализатор горения, включающий трикарбонильные соединения марганца (патент РФ на изобретение №2292383, МПК:C10L 9/10).

Однако данный катализатор направлен на снижение оксидов азота в отходящих газах горения угля (только) в печи коммунального энергоснабжения и не обеспечивает повышение температуры процесса горения топлива.

Известен модификатор горения твердого, жидкого и газообразного топлива, включающий катализатор горения и органический растворитель. Модификатор предназначен для сжигания древесины, природного газа, угля, мазута и других углеводородов, в энергетических котлах, в закрытых или открытых камерах. Данный модификатор содержит от 10 до 30 масс. % воды, от 20 до 80 масс.% по меньшей мере одного алифатического спирта, от 5 до 15 масс.% карбамида или его производных, выбранных из алкилмочевины типа R₁R₂N(CO)NR₃R₄, где R₁, R₂, R₃, R₄ являются одинаковыми или различными и представляют собой С₁-С₆ алкильные группы, и от 5 до 15 масс.% моноацетилферроцена (патент РФ на изобретение №2515988, МПК: C10L 10/00, C10L 1/10, C10L 1/18, C10L 1/222, C10L 9/10, C10L 3/00).

Недостатком данного решения является многокомпонентность состава модификатора, включающего органические и неорганические компоненты, и необходимость подбирать концентрации компонентов в зависимости от используемого топлива, что может нарушить стабильность процесса горения топлива разного агрегатного состояния. Кроме того, известный модификатор не обеспечивает достижения высоких температур горения топлива.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является модификатор горения твердого, жидкого и газообразного топлива, включающий катализатор горения и органический растворитель, при этом в качестве катализатора горения используется дициклопентадиенилтрикарбонил марганца, а в качестве органического растворителя – метилбензол (патент РФ на изобретение №2674011, МПК: C10L 1/00, C10L 1/30, C10L 5/00, C10L 3/00).

Недостатком данного решения является ограниченная растворимость дициклопентадиенилтрикарбонил марганца и необходимость использования метилбензола. При разбавлении модификатора водой перед введением в котлоагрегат, возможно расслоение, поскольку метилбензол и вода являются несмешивающимися жидкостями.

Технической проблемой настоящего изобретения является разработка эффективного модификатора горения топлива разного агрегатного состояния (твердого, жидкого или газообразного), различного состава и происхождения (в частности, угля, природного газа, древесины, дизельного топлива, мазута, растительных и органических отходов), обеспечивающего высокотемпературное сжигание топлива и детоксикацию отходящих газов.

Технический результат заключается в повышении температуры горения твердого, жидкого или газообразного топлива при уменьшении количества токсичных веществ в отходящих газах процесса горения топлива.

Предлагаемый модификатор позволяет увеличить полноту выгорания твердого топлива, приводит к уменьшению механического недожога и снижает необходимость использования подсветки. При сжигании природного газа увеличивается теплоотдача, исключается образование токсичных оксидов азота, углерода и предотвращается сажеобразование.

Технический результат достигается тем, что модификатор горения твердого, жидкого или газообразного топлива, включающий катализатор горения и органический растворитель, согласно предлагаемому решению, в качестве катализатора горения содержит ацетилацетонат железа (III), а в качестве органического растворителя – этанол, при следующем соотношении компонентов, масс.%:

Ацетилацетонат железа (III) 3-10 Органический растворитель 90-97.

Кроме того, модификатор может содержать воду в количестве до 5 масс.%.

Ацетилацетонат железа (III), синонимы трис(2,4-пентандионато) железо (III) или пент-2-ен-4-он-2-олят железа(III) с формулой Fe(C₅H₇O₂)₃ - внутрикомплексное соединение, которое в условиях горения топлива разлагается в присутствии кислорода воздуха с образованием оксида железа (III), находит применение в промышленности и сельском хозяйстве.

Ацетилацетонат железа (III) может быть получен путем взаимодействия растворимой в воде соли железа с ацетилацетоном и эквимолекулярным количеством аммиака в водной среде с последующим выделением целевого продукта фильтрацией и перекристаллизацией (А.с. №330746). Реакцию желательно вести в 1 М растворе соли металла при соотношении исходных компонентов: ацетилацетон, соль металла и аммиак 2: 1: 2. Наиболее часто используют соли сильных кислот (например, азотной – шестиводный нитрат железа), в случае которых достигаются лучшие выходы.

Способ получения модификатора заключается в растворении ацетилацетонат железа (III) в количестве 3-10 % масс. в этаноле, взятом в количестве 90-97 % масс.

Для подтверждения достижения технического результата были приготовлены модификаторы с различным содержанием входящих в них компонентов.

Пример 1. Ацетилацетонат железа (III) взято 2,0 г., этанола – 98,0 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 2,0; этанола – 98,0.

Пример 2. Ацетилацетонат железа (III) взято 2,5 г., этанола – 97,5 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 2,5; этанола – 97,5.

Пример 3. Ацетилацетонат железа (III) взято 3,0 г., этанола – 97,0 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 3,0; этанола – 97,0.

Пример 4. Ацетилацетонат железа (III) взято 3,5 г., этанола – 96,5 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 3,5; этанола – 96,5.

Пример 5. Ацетилацетонат железа (III) взято 4,0 г., этанола – 96,0 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 4,0; этанола – 96,0.

Пример 6. Ацетилацетонат железа (III) взято 4,5 г., этанола – 95,5 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 4,5; этанола – 95,5.

Пример 7. Ацетилацетонат железа (III) взято 5,0 г., этанола – 95,0 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 5,0; этанола – 95,0.

Пример 8. Ацетилацетонат железа (III) взято 6,0 г., этанола – 94,0 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 6,0; этанола – 94,0.

Пример 9. Ацетилацетонат железа (III) взято 7,0 г., этанола – 93,0 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 7,0; этанола – 93,0.

Пример 10. Ацетилацетонат железа (III) взято 8,0 г., этанола – 92,0 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 8,0; этанола – 92,0.

Пример 11. Ацетилацетонат железа (III) взято 9,0 г., этанола – 91,0 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 9,0; этанола – 91,0.

Пример 12. Ацетилацетонат железа (III) взято 10,0 г., этанола – 90,0 г. Готовый модификатор содержит, масс.%: ацетилацетонат железа (III) – 10,0 этанола – 90,0.

Пример 13. Ацетилацетонат железа (III) взято 10,5 г., этанола – 89,5 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) –10,5; этанола – 89,5.

Пример 14. Ацетилацетонат железа (III) взято 11,0 г., этанола – 89,0 г. Готовый модификатор содержит, масс. %: ацетилацетонат железа (III) – 11,0; этанола – 89,0.

Пример 15. Ацетилацетонат железа (III) взято 11,5 г., этанола – 88,5 г. Готовый модификатор содержит, масс.%: ацетилацетонат железа (III) – 11,5; этанола – 88,5.

Предлагаемый модификатор может быть использован для модифицирования процесса горения топлива разного агрегатного состояния, различного состава и происхождения, в частности, угля, природного газа, растительных отходов и древесины, дизельного топлива, мазута и органических отходов.

Было исследовано влияние полученных в примерах 1-15 составов модификаторов на температуру в зоне горения угля и природного газа, результаты исследований приведены в таблицах 1, 2. На Фиг.1, 2 представлены графики, показывающие влияние состава катализатора (содержания ацетилацетонат железа (III)) на температуру в зоне горения угля и природного газа, соответственно.

Промышленные испытания проводились в процессе сжигания природного газа и пылевидного угля марки АШ в промышленном котлоагрегате ТПП-210. При этом модификатор горения топлива разбавляли водой в соотношении 5,0 – 50,0 мл модификатора на 1000 мл воды. Полученную композицию равномерно распыляли в камеру сгорания топлива в количестве 50-100 мл на 1000 кг твердого, жидкого или 1000 м³ газообразного топлива.

Температуру продуктов горения определяли термопарой, а состав отходящего газа - газоанализатором АГМ-510М.

Наилучшего результата удалось достигнуть при содержании 3-10 масс. % ацетилацетонат железа (III) в органическом растворителе за счет увеличения глубины использования энергетического потенциала топлива путем каталитического превращения промежуточных компонентов генераторного газа (СО, С_хН_у, NO_х).

Таблица 1. Влияние состава модификатора на температуру в зоне горения угля

№
примера Содержание
ацетилацетонат железа(III), масс. % Содержание
этанола масс. % Температура в зоне горения угля,
°С 1 2,0 98,0 1500 2 2,5 97,5 1520 3 3,0 97,0 1650 4 3,5 96,5 1655 5 4,0 96,0 1660 6 4,5 95,5 1680 7 5,0 95,0 1680 8 6,0 94,0 1690 9 7,0 93,0 1700 10 8,0 92,0 1690 11 9,0 91,0 1690 12 10,0 90,0 1690 13 10,5 89,5 1650 14 11,0 89,0 1530 15 11,5 88,5 1530

Таблица 2. Влияние состава модификатора на температуру в зоне горения природного газа

№
примера Содержание
ацетилацетонат железа(III) ,
масс. % Содержание
этанола масс. % Температура в зоне горения природного газа,
°С 1 2,0 98,0 1600 2 2,5 97,5 1620 3 3,0 97,0 1690 4 3,5 96,5 1660 5 4,0 96,0 1670 6 4,5 95,5 1740 7 5,0 95,0 1740 8 6,0 94,0 1750 9 7,0 93,0 1750 10 8,0 92,0 1680 11 9,0 91,0 1690 12 10,0 90,0 1620 13 10,5 89,5 1610 14 11,0 89,0 1610 15 11,5 88,5 1600

Таким образом, с использованием предлагаемого модификатора удалось повысить температуру в зоне горения природного газа до 1730 °С, а в зоне горения угля до 1690 °С, снизив, при этом, выброс токсичных веществ ниже уровня предельно-допустимых значений (см. таблицу 3). На Фиг.1 , 2 представлены закономерности влияния содержания ацетилацетонат железа (III) в составе модификатора на увеличение температуры сжигания угля и природного газа, соответственно.

Таблица 3. Состав отходящих газов при горении топлив с модификатором, масс. %

Вид
топлива
Состав отходящих газов NO_X, мг/м³ CH₄, мг/м³ CO, мг/м³ CO₂,
% об. O₂,
% об. Природный
газ 47,9 13,7 20,2 14,0 10,1 Мазут 55,3 66,1 56,1 19,0 11,5 Уголь 87,1 50,4 13,3 16,0 13,6

Таким образом, предлагаемый катализатор обеспечивает высокую теплоотдачу топлива, сокращает в 2,2 раза количество подсветки (природного газа) и одновременно позволяет осуществить эффективную очистку дымовых газов от оксидов азота и углерода (II).

Изобретение раскрывает модификатор горения твердого или газообразного топлива, включающий катализатор горения и органический растворитель, характеризующийся тем, что в качестве катализатора горения содержит ацетилацетонат железа (III), а в качестве органического растворителя - этанол при следующем соотношении компонентов, мас.%: ацетилацетонат железа (III) 3-10; органический растворитель 90-97. Технический результат заключается в повышении температуры горения твердого или газообразного топлива при уменьшении количества токсичных веществ в отходящих газах процесса горения топлива. 2 ил., 15 пр., 3 табл.

Модификатор горения твердого или газообразного топлива, включающий катализатор горения и органический растворитель, отличающийся тем, что в качестве катализатора горения содержит ацетилацетонат железа (III), а в качестве органического растворителя – этанол при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ацетилацетонат железа (III) 3-10 Органический растворитель 90-97