Топливная суспензия

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси Государственное производственное объединение электроэнергетики БЕЛЭНЕРГО(72) Авторы Болотов Виктор Викторович Власов Александр Викторович Горбачев Николай Михайлович Мартыненко Олег Григорьевич Русакевич Михаил Иванович Столович Николай Николаевич Щербич Антон Вячеславович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси Государственное производственное объединение электроэнергетики БЕЛЭНЕРГО(57) Топливная суспензия, содержащая жидкое топливо, поверхностно-активные вещества и воду, отличающаяся тем, что дополнительно содержит порошок древесного угля с размерами частиц 5-50 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.жидкое топливо 80-90 поверхностно-активные вещества 0,5-2,0 порошок древесного угля 5-15 вода остальное. Изобретение относится к водоугольному топливу в виде суспензии, приготавливаемой смешиванием твердого пылевидного топлива с водой и жидким топливом, и может найти применение для подачи в устройства его сжигания на теплоэлектростанциях, в металлургической промышленности, в котельные установки и другие теплогенерирующие системы, работающие на жидком топливе. Использование местных видов топлива при производстве электрической и тепловой энергии весьма актуально для экономии топливных ресурсов. Это определяет поиск и создание новых смесевых топлив, позволяющих с максимальной экономией использовать любую имеющуюся топливную инфраструктуру. Известно водоугольное топливо 1, представляющее собой взвесь мелкодисперсного(до 350 мкм) каменного угля массовой доли 50-60 в воде. Недостатком данного топлива 12686 1 2009.12.30 является невысокая калорийность (ккал/кг), ограниченная допустимой динамической вязкостью суспензии, то есть повышенным содержанием негорючего структурного элемента воды, обеспечивающей необходимую текучесть продукта для промышленной его транспортировки по трубопроводу к потребляющим теплогенерирующим устройствам, что, однако,снижает функциональную надежность эксплуатации при отрицательных температурах изза резкого повышения вязкости водоугольного топлива и его замерзания при температурах около нуля градусов С. Кроме того, данное известное водоугольное топливо характеризуется повышенными энергозатратами на транспортировку по трубопроводу под давлением и абразивным действием на подающие в устройства для сжигания форсунки,что ограничивает практическое использование этих топлив. Известна также водоугольная суспензия 2, содержащая каменный уголь с размером частиц не более 300 мкм, в которую с целью снижения вязкости суспензии добавляется полиэлектролит соли щелочного металла на основе продукта конденсации арилсульфокислоты с формальдегидом, причем поверхность угля в этой топливной эмульсии содержит 0,1-2 мас.на уголь каменноугольного или нефтяного масла, выбранного из группы креозотовое масло с интервалом кипения 210-400 С, нефтяное масло с интервалом кипения 180-450 С, получаемое при вакуумной очистке, антраценовое масло с интервалом кипения 230-400 С, остаточное масло висбрекинга, разжижение керосином в количестве 10 мас.на уголь, остаточное масло крекинга с водяным паром, разжиженное керосином в количестве 12 мас.на уголь, в качестве полиэлектролита суспензия содержит соль щелочного металла продукта поликонденсации нафталинсульфокислоты с формальдегидом с молекулярной массой 800-3000 при следующем соотношении компонентов, мас.уголь 61-70 полиэлектролит - 0,2-0,5 вода - остальное. Недостатком топлива, предлагаемого данным техническим решением, является невысокая его калорийность и значительные вредные выбросы с продуктами сгорания. В другом известном решении водоугольное топливо 3, представляет собой топливную суспензию в виде взвеси пылевидного каменного угля в воде и содержит органический пластификатор с гранулометрическими размерами 0,005-0,5 мкм при следующем содержании компонентов, мас.уголь (до 200 мкм) 60-65 органический пластификатор 5-15 вода остальное, причем в качестве органического пластификатора использованы твердые бытовые и/или промышленные отходы. В данной топливной композиции обеспечивается повышение подвижности топливной суспензии при возможно большем снижении доли содержания воды с повышением калорийности топлива, а также это топливо позволяет утилизировать некоторые твердые органические бытовые и промышленные отходы, содействуя улучшению экологии. Недостатками данного технического решения являются также недостаточная калорийность топлива и технические сложности в его получении. Известно техническое решение 4, которое по наибольшему количеству сходных признаков и достигаемому при использовании результату выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения. В этом известном решении топливную суспензию получают при химической очистке судовых топливных танков в процессе последовательной промывки танков моющим составом, содержащим обводненное нефтяное топливо с введенными в него поверхностно-активными веществами, а после домывки последнего танка, полученную топливную эмульсию смешивают со свежим топливом. Таким образом, полученная указанным способом топливная суспензия содержит жидкое топливо, поверхностноактивные вещества и воду. Основными недостатками данной топливной суспензии являются высокая ее стоимость, а также заметное снижение калорийности такого суспензионного топлива при несбалансированности входящих в него компонент. Задачей предлагаемого изобретения является снижение стоимости топлива и повышение его экологических показателей за счет применения в нем порошка древесного угля,получаемого из древесины различными способами, хорошо освоенными к настоящему времени. 2 12686 1 2009.12.30 Задача решается следующим образом. Известная топливная суспензия содержит жидкое топливо, поверхностно-активные вещества и воду. Согласно предполагаемому изобретению она дополнительно содержит порошок древесного угля с размерами частиц 5-50 мкм при следующем соотношении компонентов (мас. ) жидкое топливо 80-90 поверхностноактивные вещества 0,5-2,0 порошок древесного угля 5-15 вода остальное. Таким образом предлагаемая топливная суспензия это синтетическое жидкое топливо, представляющее собой дисперсную систему из трех нерастворимых друг в друге жидкостей (вода, жидкое топливо, ПАВ) и древесный уголь в виде порошка 5-50 мкм. Вода в этой суспензии является своеобразным катализатором, улучшающим и ускоряющим процесс сжигания топлива. Предлагаемое топливо отличается от прототипа как физико-химическими свойствами,так и особенностями горения и теплообмена. В табл. 1 приведены три примера составления предлагаемой топливной суспензии. Предполагается, что в этих примерах древесный уголь в топливную суспензию входит в виде порошка с размерами частиц в диапазоне 5-50 мкм. Таблица 1 топливной суспензии 1 2 3 Состав топливной суспензии (массовая доля, ) Мазут 80 85 90 Проанализируем эти примеры. Известно, что одним из главных условий получения суспензионных топлив высокого качества является достижение максимально высокой доли твердой фазы в топливе при обеспечении заданной динамической вязкости не более 0,8-1,0 кПс и скорости сдвига 10 с-1 . Концентрация твердой фазы в предлагаемой топливной суспензии также определяется из ограничений по вязкости. Вязкость суспензии может быть оценена как 0(14,5)0,8 кПас, где 0 - вязкость жидкой фазы- объемная доля твердой фазы. Расчеты показывают, что для приводимых в табл. 1 примеров составления топливной суспензии 0,1-0,15 (объемное содержание угля). Критический размер твердой фазы (размер частиц порошка древесного угля) определяется из условия стабильности суспензионного топлива не менее 30 суток. Это условие для рассматриваемого суспензионного топлива, как показывают расчеты, может быть обеспечено уже при размере частиц порошка древесного угля - 40-60 мкм. Заметим, что уменьшение размеров частиц порошка древесного угля связано с дополнительными затратами энергии на измельчение. В топливной суспензии 1 (табл. 1) массовые доли мазута, порошка древесного угля и воды составляют соответственно 80, 8 и 10 . Это вполне реализуемый вариант топливной суспензии, особенно если в ней используется обводненный мазут, в котором содержание воды может доходить до 10 и более. Заметим, что влажность жидких топлив в пределах до 20 не дает резкого снижения показателей топочного процесса. Это подтверждают данные приводимой ниже табл. 2. При влажности топлива до 10 показатели топочного процесса почти не отличаются от показателей, полученных при сжигании топлива влажностью 4-5 , соответствующей ГОСТу. Если учесть, что процесс выделения воды из вязких мазутов протекает крайне неэффективно и требует больших затрат энергоресурсов, средств и материалов, то следует вывод о целесообразности прямого использования таких топлив, без предварительного их обезвоживания. 3 Расход топлива, кг Коэффициент избытка воздуха,Расход воздуха, отнесенный к 1 кг сухого 16,49 16,49 16,49 16,49 топлива, кг/кг Количество воды, вносимое с воздухом,0,165 0,165 0,165 0,165 кг/кг Количество водяного пара, образовавшего 0,936 0,936 0,936 0,936 ся при сгорании 1 кг сухого топлива, кг/кг Влага, вносимая с топливом, кг/кг 0 0,141 0,11 0,25 Количество сухих газов, образующихся 16,56 16,56 16,56 16,56 при сгорании 1 кг сухого топлива, кг/кг Общее количество продуктов сгорания,17,66 77,702 17,77 17,951 кг/кг Влажность продуктов сгорания (весо 6,3 6,45 6,85 7,55 вая),Теплота сгорания рабочего топлива,9540 9158 8525 7532 ккал/кг Теплота сгорания рабочего топлива, с уче 9700 9667 9657 9590 том тепла, внесенного воздухом, ккал/кг Теоретическая температура горения, С 1830 1812 1800 1760 Потери тепла с уходящими газами,10,2 10,35 10,52 10,95 Температура точки росы (по данным 124,5 125 126,5 129 Л.И. Дворецкого), С Сравнивая данные табл. 1 и 2, можно видеть, что топливная суспензия 1 имеет более низкую теплотворную способность, нежели мазутное топливо. Однако топливная суспензия 1 обеспечивает более лучшие условия распыла топлива и при ее сжигании достигаются более лучшие экологические показатели, нежели при сжигании чисто мазутного топлива. В примере 2 топливной суспензии (табл. 1), в которой несколько увеличена доля мазута и доля порошка древесного угля, но снижена почти вдвое по сравнению с примером 1 массовая доля воды, достигается более высокая ее теплотворная способность, в то время как условия распыла топлива также остаются достаточно хорошими и не происходит при его сжигании существенного ухудшения экологии, как и в примере топливной суспензии 1. Третий пример топливной суспензии (табл. 1) иллюстрирует тот случай, когда доля практически обезвоженного мазута составляет 90 , доля порошка древесного угля почти такая же, как в примере 2, но резко уменьшена в топливной суспензии массовая доля воды. В этом примере суспензии достигается максимальная (по сравнению с примерами суспензии 1 и 2) теплотворная способность, однако, ухудшаются как условия распыла топлива, так и экологические показатели при сжигании данной топливной суспензии. Заметим, что отличительные признаки, а также предлагаемый компонентный состав заявляемого топлива позволяют повысить экономичность энергоустановок, как за счет снижения недожога, так и вследствие уменьшения загрязнения рабочих поверхностей нагрева в котлоагрегатах. Снижение недожога обусловлено тем, что такие компоненты топливных композиций, как вода, в зоне горения в виде перегретого пара способствуют более тонкому распылению углеводородной основы. Для обеспечения хорошей устойчивости работы топок при сжигании предлагаемой топливной суспензии, воду, содержащуюся в 4 12686 1 2009.12.30 ней, в виде мельчайших капелек одинакового размера распределяют по всей массе равномерно, т превращают неорганизованную смесь топливных компонентов и воды со случайным распределением последней в организованную систему, где вода равномерно распределена по всей массе горючего. Это приводит к практически полному (99,7 ) ее выгоранию и, как следствие, к существенному снижению в отходящих газах сажи, бензпирена и вторичных углеводородов. Дополнительным положительным эффектом является и то, что предлагаемая топливная суспензия является более экологически чистым видом топлива, поскольку помимо уменьшения в отходящих газах перечисленных выше вредных выбросов, при их горении также существенно снижается концентрация оксидов азота и серы. Это связано с протеканием химических реакций в процессе горения, в которых принимает участие вода, являющаяся одним из компонентов такого топлива, в частности определяется взаимодействием перегретого водяного пара с углеродом топлива и термической диссоциацией воды СН 2 ОСО 2,Н 2 О 2. Образующийся кислород стимулирует процесс горения, а водород и монооксид углерода выступают мощными восстановителями в реакционной газовой смеси и способствуют резкому уменьшению в отходящих газах оксидов азота и серы Ох 2 (или СО)2 Н 2 О (или СО 2),2 (или СО)2 О (или 2). Кроме этого, при сжигании предлагаемого топлива существенно снижается количество нагара внутри топочных камер, на поверхности форсунок, а также отложений в котлоагрегатах. Таблица 3 Наименование показателя Однородная жидкость от темно-коричневого до черного цвета Вязкость условная, ВУ при 80 С,не более Зольность,не более Массовая доля механических примесей, не более Массовая доля воды,не более Массовая доля серы,не более Температура застывания, С, не выше Теплота сгорания (низшая) при влажности 15 , кДж/кг, не менее Плотность при 20 , г/см 3, не более Стабильность, час, не менее Размер (мкм) и распределение капель воды,В конечном итоге указанные выше отличительные признаки и компонентный состав предлагаемого топлива существенно снижают стоимость топлива и экономят значительные энергетические и материальные ресурсы. 5 12686 1 2009.12.30 Далее для иллюстрации изобретения в табл. 3 приводится пример технических показателей заявляемой топливной суспензии, предназначенной для мини-ТЭЦ, котельных,энерготехнологических кооперационных установок. Указанная в примере топливная суспензия содержит мазут марки М 60 (100) по ГОСТ 10585, поверхностно-активные вещества,мелкодисперсный порошок древесного угля фракционного состава и воду. Поверхностноактивные вещества, порошок древесного угля и вода перед смешением с мазутом эмульгированы на установках типа ВКИ-ВКГ. Приводимым выше примером не следует ограничивать рамки данного изобретения. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6