Топливо

 

Описывается топливо на основе углеводородных соединений и воды. Оно представляет собой систему коллоидного типа со средне-поверхностным размером частиц дисперсной фазы не более 3 мкм, при этом элементный баланс топлива имеет следующее соотношение химических элементов, мас. %: водород (Н) 4,000-12,000, сера (S) 0,040-2,500, кислород (O) 8,000-55,000, азот (N) 0,150-1,500, кремний (Si) 0,001-12,000, алюминий (Аl) 0,001-7,000, железо (Fe) 0,001-1,500, кальций (Са) 0,001-2,500, магний (Mg) 0,001-0,500, калий (К) 0,001-0,200, натрий (Na) 0,001-0,800, углерод (С) до 100,000. Технический результат - создание топлива на основе природного или искусственного (твердого/жидкого) углеводородного сырья воды и других химических ингредиентов (в случае необходимости), с заранее определенными, по условиям оптимальной эксплуатации оборудования, свойствами, обладающего экологической чистотой и имеющего расширенную сырьевую базу по сравнению с известным прототипом. 2 табл.

Изобретение относится к топливу, в частности к энергетическому топливу, на основе твердых/жидких природных или искусственных углеводородных соединений и воды и может быть использовано для сжигания в котлах, печах и других установках объектов теплоэнергетики.

Известно топливо на углеводородной основе с добавлением воды и эмульгатора - алкилбензилметилдиэтиламина /1/ /а. с. СССР N 598927, C 10 L 1/32, 1977/.

Это топливо имеет относительно низкую (грубую) дисперсность и повышенную вязкость. Кроме того, для получения топливной эмульсии в качестве эмульгатора используют дорогостоящие реагенты - синтетические ПАВ.

Данное топливо не обладает экологической чистотой, поскольку вносимый эмульгатор не влияет на снижение вредных выбросов с продуктами сгорания.

Из описанных в литературе веществ, которые могут использоваться в качестве энергетического топлива, по составу исходных компонентов наиболее близка к заявленному топливу и может быть прототипом топливная эмульсия на основе углеводородов с добавлением воды и эмульгатора - неионогенной композиции ПАВ, состоящей из неполного эфира глицерина и жирной кислоты C₈-C₂₂, аддукта окиси алкилена и алифатического спирта C₈-C₂₂ или жирной кислоты C₈-C₂₂, одноатомного спирта C₁-C₄, многоатомного спирта C₂-C₄ /2/ /DE 2633462, C 10 L 1/32,1978/.

Указанная топливная эмульсия имеет следующие недостатки: - топливо имеет относительно низкую дисперсность (≈ 30 мкм), - производство требует больших затрат и расхода дорогостоящих реагентов, что удорожает стоимость топлива в 1,5-2 раза - носителем энергетического потенциала могут быть только жидкие углеводороды, что снижает область использования изобретения, - не обладает экологической чистотой, так как вводимый эмульгатор не влияет на снижение вредных выбросов с продуктами сгорания по сравнению с исходным углеводородным сырьем, - теплотехнические и физико-химические свойства не оптимизированы в отношении эксплуатационных характеристик топливопотребляющего оборудования.

Целью настоящего изобретения является создание топлива на основе природного или искусственного (твердого/жидкого) углеводородного сырья, воды и других химических ингредиентов (в случае необходимости), с заранее определенными, по условиям оптимальной эксплуатации оборудования, свойствами, обладающего экологической чистотой и имеющего расширенную сырьевую базу по сравнению с известным прототипом.

Для достижения поставленной цели предлагается топливо, созданное на основе исходных компонентов общих с прототипом - углеводородных соединений и воды, но в отличие от прототипа представляющее собой систему коллоидного типа со средним поверхностным размером частиц дисперсной фазы где δ_s - средний поверхностный размер, n₁ - число частиц размером δ_i) не более 3 мкм, при этом элементный баланс топлива имеет следующее соотношение химических элементов, мас.%: Водород (Н) - 4,000 - 12,000 Сера (S) - 0,040 - 2,500 Кислород (О) - 8,000 - 55,000 Азот (N) - 0,150 - 1,500
Кремний (Si) - 0,001 - 12,000
Алюминий (A1) - 0,001 - 7,000
Железо (Fe) - 0,001 - 1,500
Кальций (Ca) - 0,001 - 2,500
Магний (Mg) - 0,001 - 0,500
Калий (К) - 0,001 - 0,200
Натрий (Na) - 0,001 - 0,800
Углерод (C) - До 100,000
Помимо указанных химических элементов, в элементном балансе топлива могут присутствовать и другие элементы, например Mn, P, Ti, V и пр., но в количестве не более 0,900%.

При среднем поверхностном размере частиц дисперсной фазы не более 3 мкм создаются оптимальные условия для химического взаимодействия исходных компонентов на стадиях завершения производства топлива, его хранения и использования, в том числе горения, что обеспечивает задаваемые физико-механические, структурно-реологические, теплофизические и экологические свойства.

Роль составляющих элементного баланса в физико-химических свойствах нового топлива приведена в таблице 1.

Сумма элементов в элементном балансе нового топлива всегда равна 100%, так что изменение массовой доли одного из них влечет за собой изменение массовой доли всех других.

Одни и те же составляющие могут выполнять различные функции в формировании его свойств. Так как механизм взаимодействия различных элементов при использовании этого нового топлива крайне сложен, нижние и верхние пределы массовых долей химических элементов в элементном балансе топлива установлены по результатам статистической обработки элементных составов большого количества композиций предлагаемого топлива и с доверительной вероятностью 95% соответствуют оптимальному результату.

В таблице 2 приведены примеры топлива на основе твердого и жидких углеводородных соединений.

Пример 1.

Топливо на основе бурого угля марки БЗ и воды (N 1 в табл. 2)
Требования к топливу:
- низшая теплота сгорания - не ниже 13,000 МДж/кг,
- динамическая вязкость - не выше 0,750 Па·с,
- седиментационная стабильность - не менее 5 суток,
- выбросы вредных веществ - не более 80% от ПДВ (ПДВ - предельно допустимые выбросы по ГОСТ P50831-95).

Бурый уголь после удаления из него внешней породы измельчается до размера -3 мм и вместе с водой и химическим реагентом (техническим лигносульфонатом) направляется в систему последовательно расположенных интерактивных аппаратов для механохимической обработки. На выходе получается готовое топливо коллоидного типа со средним поверхностным размером частиц дисперсной фазы 1,8 мкм и свойствами, удовлетворяющими исходным требованиям к топливу.

На каждую единицу массы подготовленного угля подается 0,883 единиц массы воды и 0,003 единиц массы химического реагента.

Пример 2.

Топливо на основе тяжелых нефтяных остатков и воды (N 2 в табл. 2)
Требования к топливу:
- низшая теплота сгорания - не ниже 29,000 МДж/кг,
- динамическая вязкость при 80^oC - не выше 0,350 Па·с,
- седиментационная стабильность - не менее 10 суток,
- выбросы вредных веществ - не выше ПДВ.

Тяжелый нефтяной остаток при температуре 80^oC, вода и химические присадки (стеората натрия и трилона) при температуре 60^oC направляются в систему последовательно расположенных интерактивных аппаратов для механо-химической обработки. На выходе получается готовое топливо коллоидного типа со средним поверхностным размером частиц дисперсной фазы 2,9 мкм и заданными свойствами.

На каждую единицу массы тяжелого нефтяного остатка подается 0,343 единиц массы воды, 0,025 единиц массы стеарата натрия и 0,005 единиц массы трилона.

Пример 3.

Топливо на основе мазута М100 и воды (N 3 в табл. 2)
Требования к топливу:
- низшая теплота сгорания - не ниже 35,000 МДж/кг,
- стабильность топлива при 80^oC - не менее 3 суток,
- выбросы вредных веществ - не более 90% ПДВ.

Мазут при температуре 75^oC и вода при температуре 60^oC направляются для механо-химической обработки в последовательно расположенные аппараты непрерывного действия. На выходе получается топливо коллоидного типа со средним поверхностным размером частиц дисперсной фазы 1,3 мкм и свойствами, удовлетворяющими исходным требованиям к топливу.

На единицу массы мазута подается 0,111 единиц массы воды.

Предлагаемое топливо предполагается использовать в качестве энергетического топлива на ТЭЦ "ТАТЭНЕРГО" г. Казань и Партизанской ТЭЦ Приморского Края.

Источники
1. А.с. СССР N 598927, кл. C 10 L 1/32, 1977.

2. Патент ФРГ N 2633462 кл. C 01 L 1/32, 1978.

Формула изобретения

Топливо на основе углеводородных соединений и воды, отличающееся тем, что оно представляет собой систему коллоидного типа со среднеповерхностным размеров частиц дисперсной фазы не более 3 мкм, при этом элементный баланс топлива имеет следующее соотношение химических элементов, мас.%:
Водород (H) - 4,00 - 12,000
Сера (S) - 0,040 - 2,500
Кислород (O) - 8,000 - 55,000
Азот (N) - 0,150 - 1,500
Кремний (Si) - 0,001 - 12,000
Алюминий (Al) - 0,001 - 7,000
Железо (Fe) - 0,001 - 1,500
Кальций (Ca) - 0,001 - 2,500
Магний (Mg) - 0,001 - 0,500
Калий (K) - 0,001 - 0,200
Натрий (Na) - 0,001 - 0,800
Углерод (C) - До 100,000

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3