Твердое композитное топливо Российский патент 2023 года по МПК C10L5/04 C10L5/00 F23C1/06 

Изобретение относится к твердым энергетическим топливам, а именно к твердому композитному топливу, которое может быть использовано для сжигания на тепловых электростанциях и в котельных установках.

Известно изобретение (патент RU № 2490316 C1, МПК C10L 5/00, C10B 55/00, C10B 57/00, C21B 5/02, опубл. 20.08.2013), описывающее топливный композит, состоящий из нефтяного кокса тонкого помола и десульфуратора (оксид/гидроксид кальция), применяемый в качестве топлива для доменной плавки. Соотношение углеродсодержащего молотого материала и десульфуратора составляет 90-99 мас.% и 1-10 мас.% соответственно. Данное изобретение позволяет расширить сырьевую базу энергетических топлив, применяемых для доменной плавки. Благодаря наличию десульфуратора в смеси снижается выброс серосодержащих соединений.

Недостатком данного изобретения является повышенное шлакообразование, обусловленное минеральной добавкой. Кроме того, из-за изначально низкой реакционной способности данный состав не полностью газифицируется в зоне горна.

Также известно изобретение (патент RU № 2186093, МПК C10L 5/00, опубл. 27.07.2002), описывающее твердое композитное топливо, состоящее из каменного угля (82-95 мас.%) и горючих сланцев (5-18 мас.%). Данное композитное топливо применимо для сжигания на тепловых электростанциях и в котельных установках. За счет использования добавки низкосортного энергетического топлива возможно при сохранении на приемлемом уровне теплотворной способности и основных технических показателей топлива уменьшить топливные издержки.

Недостатком данного изобретения является использование высокосернистой и высокозольной компоненты, что в свою очередь накладывает ограничения на приемлемость данного топливного композита для теплоэнергетического оборудования.

Также известно изобретение (WO 2012/054001, МПК C10L 5/44, C10L 5/14, C10L 5/48, опубл. 26.04.2012), описывающее твердое композитное топливо, состоящее из материалов растительного происхождения и пластмассовых отходов. В качестве растительных компонент предлагаются: бумажные отходы, древесина, опилки, солома, зерновая шелуха, стебли растительных культур, торф. Могут использоваться как отдельные представленные компоненты, так и их комбинации в количестве 60-97 мас.%. В качестве связующего и второго компонента топливного композита может использоваться полиэтилен высокого давления, полиэтилен низкого давления и полипропилен в количестве 3-40 мас.%.

Недостатком данного изобретения является неоднородность компонентов, которая не позволяет обеспечить значения теплотворной способности в узком диапазоне, использование относительно влажного сырья (биомассы), что требует усложнения схемы подготовки топливного композита в виде осушителей. Также в случае реализации представленной технологии затруднительно расширить круг используемых компонентов из числа распространенных в составе твердых коммунальных отходов пластиков.

Также известен топливный композит (Буравчук Н. И. Топливные композиты из мелкозернистого углеродсодержащего техногенного сырья //Инноватика и экспертиза: научные труды. – 2017. – №. 2. – С. 191-203), состоящий из антрацитового штыба, угольного шлама, биомассы и связующего органического происхождения. Массовое отношение биомассы, антрацитового штыба и угольного шлама 1:1:3 соответственно. Данный топливный состав, формируемый в брикеты или гранулы, можно реализовывать без дополнительной просушки и с помощью холодного прессования. Использование данного состава позволяет использовать углеродосодержащий отход и за счет использования биомассы повысить допустимую влажность для формирования топливных гранул, удовлетворяющих стандарты прочности.

Недостатком предложенного топливного композита является его сложный состав и связанные с этим рекомендации по выбору оптимального распределения размера частиц для каждого компонента, которые обеспечивают прочность топливных гранул.

Также известно изобретение (патент RU № 2477745, МПК C10L 5/00, C10L 5/14, C06D 5/06, опубл. 20.03.2013), описывающее топливный композит, содержащий отсевы активного древесного угля и баллистический порох, которые измельчены до размера фракции 0,5-1,0 мм. В качестве связующего компонента для формирования топливного брикета используется полиакриламид. Представленное композитное топливо содержит: 75-86 мас.% отсевов активного древесного угля, 10-20 мас.% баллистического пороха, 4-5 мас.% полиакриламида. Данное изобретение позволяет улучшить характеристики горения композита по сравнению с горением древесного угля. Кроме того, данное изобретение решает задачи по улучшению экологической приемлемости топлива и экономии твердых ископаемых ресурсов.

Недостатком данного изобретения является пожаро- и взрывоопасность при производстве, транспортировке и хранении, обусловленные низкой температурой воспламенения баллистического пороха.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является твердое композитное топливо (патент RU № 2128806, МПК F23C 1/06, опубл. 10.04.1999), включающее основной энергетический компонент - нефтяной кокс и инициирующую добавку - тощий уголь в следующих пропорциях компонентов, мас.%: 10-15 нефтяной кокс; 85-90 – тощий уголь.

Недостатком известного решения является необходимость обеспечения достаточно тонкого помола для формирования смеси с тощим углем. Также недостатком является то, что решение пригодно для использования только в котлах с циркулирующим кипящим слоем.

Технической задачей предлагаемого изобретения является интенсификация процесса горения традиционного ископаемого топлива (нефтяной кокс) энергетически ценным твердофазным продуктом пиролиза отработанных шин (углеродным остатком).

Технический результат предлагаемого твердого композитного топлива заключается в интенсификации процесса воспламенения и последующего горения нефтяного кокса посредством повышения реакционной способности, что выражается в уменьшении задержки зажигания (от 5 % до 46 %) и уменьшении температуры начала интенсивного окисления (от 3 до 25 %).

Техническая задача решается твердым композитным топливом, включающим в свой состав нефтяной кокс в качестве основного энергетического компонента и инициирующую добавку.

Новым является то, что в качестве инициирующей добавки используется углеродный остаток пиролиза отработанных шин при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нефтяной кокс 50–90 Углеродный остаток 10–50

Нефтяной кокс, используемый в качестве основы композитного топлива, является побочным продуктом переработки высококипящих нефтяных фракций. Данное сырье нашло широкое применение в изготовлении электродов, коррозионностойкой аппаратуры, а также твердого топлива. Нефтяной кокс отличается низким содержанием летучих соединений и влаги, повышенной зольностью, низкой реакционностью и высокими значениями теплотворной способности и содержания углерода.

Углеродный остаток представляет собой дисперсный порошок, получаемый методом пиролиза отработанных шин. Обладает техническими параметрами, близкими к нефтяному коксу, отличается несколько большим содержанием летучих соединений.

Использование углеродного остатка пиролиза отработанных шин в количестве 10 –50 мас.% в составе с нефтяным коксом позволяет повысить реакционную способность такой смеси относительно однородного нефтяного кокса на 5-46 %. Данный результат объясняется тем, что температура воспламенения углеродного остатка пиролиза отработанных шин ниже, чем у нефтяного кокса, тем самым прогрев и дальнейшая термодеструкция частиц нефтяного кокса происходит интенсивней.

Пример практического осуществления изобретения.

Исходный образец нефтяного кокса и углеродный остаток пиролиза отработанных шин измельчались с помощью шаровой мельницы.

В дальнейшем компоненты топлива просеивались через систему сит для фракционирования частиц с размером менее 80 мкм и формировались в композиты при следующем соотношении компонентов, масс. %: 50 – 90 нефтяной кокс (основной энергетический компонент); 10 – 50 углеродный остаток пиролиза отработанных шин (инициирующий компонент) путем их смешения до однородной смеси для равномерного распределения углеродного остатка в нефтяном коксе.

Выполнен полный технический анализ исходных топливных компонент и их композитов. Определены теплота сгорания, зольность, влажность и выход летучих соединений в соответствии с методиками ГОСТ 147-2013, ГОСТ 22692-77, ГОСТ Р 52911-2020, ГОСТ 22898-78. Определен элементный состав (СHNS) с помощью анализатора Euro EA 3000 (EuroVector, Италия). Технические характеристики твердотопливных составов и их элементный состав приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики топливных компонент и их элементный состав.

Топливный композит, мас.% Влаж-ность,
W^a Золь-ность,
A^d Выход летучих,
V^daf Теплота сгорания,
Q, МДж/кг Элементный состав С H N S O масс. % масс. % Нефтяной кокс НК 0,29 9,96 1,98 28,60 84,32 0,19 0,31 0,61 4,32 90 НК / 10 УО 0,31 10,50 2,52 28,46 83,59 0,25 0,30 0,84 4,22 75 НК / 25 УО 0,33 11,29 3,33 28,25 82,50 0,34 0,29 1,18 4,08 50 НК / 50 УО 0,38 12,63 4,68 27,90 80,68 0,49 0,28 1,75 3,84 Углеродный остаток УО 0,46 15,29 7,38 27,20 77,04 0,78 0,24 2,90 3,36

Определение изменения реакционной способности твердого композитного топлива проводилось с помощью лабораторного стенда горения твердых топлив. Основными элементами стенда являются: терморегулируемая муфельная печь «Спутник» с цифровым регулятором температуры (погрешность измерений ± 1 °С); высокоскоростная камера Photron FastCam MINI UX 100 (Photron, Япония) с форматом изображения – 1024×1024 пикселей, частотой кадров – до 10⁵ в секунду; платформа координатного механизма, предназначенного для ввода в печь топливной гранулы с погрешностью перемещения в пространстве менее 1 мм и ПИД – регулятор температуры ОВЕН ТРМ10 в комплекте с термопарой, предназначенный для контроля температуры среды неподвижного воздуха внутри камеры сгорания.

Для проведения исследования топливная навеска в виде конуса массой ~1,0±0,05 г помещалась на держатель координатного механизма. Далее координатный механизм приводился в движение с помощью сигнала, подаваемого с ПК по каналу связи. Навеска вводилась в заранее разогретую терморегулируемую печь при температуре 1000 °С. Одновременно с движением координатного механизма в камеру сгорания проводилась видеорегистрация до момента воспламенения и процесса горения топливной навески. Реакционная способность исследуемых образцов осуществлялась путем сопоставления времени задержки зажигания. Временем задержки зажигания считалось время от момента входа топливной навески в фокус камеры до появления на поверхности образца свечения, соответствующего началу процесса термического разложения. Температура в камере сгорания контролировалась с применением платинородиевой термопары и регистрировалась через ПИД-регулятор температуры. Дымовые газы удалялись в окружающую среду с помощью принудительной вентиляции.

Результаты проведенного эксперимента свидетельствуют о том, что твердое композитное топливо характеризуется уменьшением времени задержки зажигания (от 5 % до 46 %) относительно нефтяного кокса.

Результаты определения времени задержки зажигания эксперимента представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Время задержки зажигания

Топливный композит,
масс. % Время задержки зажигания, с Нефтяной кокс НК 1,93 90 НК / 10 УО 1,83 75 НК / 25 УО 1,76 50 НК / 50 УО 1,04 Углеродный остаток УО 0,39

Также был выполнен термический анализ для определения характеристик процесса окисления твердого композитного топлива. Окисление было выполнено с помощью термического анализатора STA 449 C Jupiter (Netzsch, Germany). Все эксперименты проводились в потоке воздуха с расходом 100 мл/мин, при скорости нагрева 10 °С/мин в корундовом тигле с перфорированной крышкой в интервале температур 25-1000 °С, масса топливной навески – 10 мг.

По полученным результатам термического анализа графически были определены температуры начала и окончания интенсивного процесса окисления T_i и T_f соответственно. Максимальная скорость убыли массы w_max и соответствующая ей температура T_max.

Результаты проведенного эксперимента свидетельствуют о том, что используемое твердое композитное топливо характеризуется уменьшением начальной температуры интенсивного окисления T_i (от 3 до 25%) и смещением процесса окисления в область более низких температур.

Результаты термического анализа представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Характеристики процесса окисления

Топливный композит,
масс. % T_i, °С T_f, °С W_max, мас.%/мин T_max, °С Нефтяной кокс 634 863 4,41 767 90 НК / 10 УО 611 843 4,04 745 75 НК / 25 УО 576 824 3,50 740 50 НК / 50 УО 521 692 4,74 570 Углеродный остаток 508 623 7,25 580

Таким образом, предлагаемое твердое композитное топливо, выполненное на основе взрывобезопасных компонентов, позволяет повысить реакционную способность такой смеси относительно однородного нефтяного кокса на 5-46 % и уменьшить температуру начала интенсивного окисления (от 3 до 25 %).

Изобретение относится к твердым энергетическим топливам. Предложено твердое композитное топливо, включающее в свой состав нефтяной кокс в качестве основного энергетического компонента и инициирующую добавку, при этом в качестве инициирующей добавки содержит углеродный остаток пиролиза отработанных шин при следующем соотношении компонентов, мас.%: нефтяной кокс 50-90, углеродный остаток 10-50. Технический результат заключается в интенсификации процесса воспламенения и последующего горения нефтяного кокса посредством повышения реакционной способности, которое выражается в уменьшении задержки воспламенения и уменьшении температуры начала интенсивного окисления. 3 табл., 1 пр.

Твердое композитное топливо, включающее в свой состав нефтяной кокс в качестве основного энергетического компонента и инициирующую добавку, отличающееся тем, что в качестве инициирующей добавки содержит углеродный остаток пиролиза отработанных шин при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нефтяной кокс 50-90 Углеродный остаток 10-50