Способ сжигания углеводородного топлива

Изобретение относится к энергетике и металлургии и позволяет осуществлять газификацию твердого топлива с использованием восстановительной способности образующегося водорода. Способ сжигания углеводородного топлива включает окисление жидкого или газообразного топлива кислородом воздуха, пропускание продуктов сгорания - диоксида углерода и воды - при температуре свыше 700°С через газопроницаемый слой твердого топлива, окисление твердого топлива с образованием оксида углерода и водорода, сверху слоя твердого топлива размещают газопроницаемый слой восстанавливаемого вещества, а продукты сгорания -диоксид углерода и воду - пропускают сверху вниз со скоростью, обеспечивающей удержание образующегося водорода в слое восстанавливаемого вещества. Изобретение позволяет осуществлять сжигание углеводородного топлива в открытом реакторе, а образующийся водород дополнительно использовать в качестве восстановителя. 2 табл.

 

Изобретение относится к энергетике и металлургии и позволяет осуществлять газификацию твердого топлива с использованием восстановительной способности образующегося водорода.

Известно, что к углеводородному топливу относятся твердые, жидкие и газообразные вещества ископаемого и искусственного происхождения, содержащие в своем составе углерод и водород (таблица 1).

Таблица 1
Содержание водорода в углеводородном топливе (мас.%)
Газообразное	Жидкое	Твердое
Метан - 25.10	Нефть - 11-14	Графит - 0.06
Этан - 20.10	Мазут - 12.70	Антрацит - 1-3
Пропан - 18.15	Газойль - 13.40	Коксовый уголь - 5.0
Бутан - 17.25	Бензин - 14.90	Бурый уголь - 5.0
Ацетилен - 7.70	Керосин - 14.00	Сланец - 7.5-9.4

Теплотворная способность твердого топлива возрастает с увеличением содержания углерода (таблица 2), так как 1 г - атом углерода способен выделить при окислении 94.05 ккал (393.2 кДж) тепла.

Таблица 2
Теплотворная способность твердого топлива
Вид топлива	Теплотворная способность, ккал/кг
Древесина сухая	3000-3500
Торф	4000-4500
Бурый уголь	5000-5500
Каменный уголь	5500-7000
Антрацит	6500-7000
Графит	7800

Как видно из таблицы 2, самым калорийным топливом является графит, но все другие разновидности твердого топлива имеют существенное преимущество - их можно поджечь, и они будут гореть. Горение - это автогенное окисление кислородом воздуха, то есть процесс, который поддерживает сам себя. Способность топлива к горению никак не связана с его теплотворностью, поэтому графит, более теплотворный, чем древесина, не применяется в качестве топлива.

Известен способ сжигания твердого углеводородного топлива путем высокотемпературного окисления его углеродистой составляющей кислородом воздуха по реакции:

Сжигание твердого топлива по известному способу (горение) осуществляется в разнообразных топочных устройствах, обеспечивающих свободный доступ к топливу кислорода воздуха [1].

К недостаткам известного способа относятся:

1. Весьма низкий коэффициент использования теплотворной способности твердого топлива из-за неполного окисления углерода.

2. Невозможность использования негорючего углеродистого материала (графита).

Известен способ сжигания твердого углеводородного топлива путем его высокотемпературного неполного окисления кислородом воздуха по реакции:

Сжигание твердого топлива по известному способу (газификация) осуществляется в специальных двухкамерных устройствах - газогенераторах, где в первой камере происходит неполное окисление углеродистой части топлива с недостатком кислорода, а образующийся по реакции {2} оксид углерода (генераторный газ) дожигается во второй камере [2].

К недостаткам известного способа относятся:

1. Очень низкий коэффициент использования теплотворной способности твердого топлива.

2. Трудности, связанные с газификацией плохо горящего твердого топлива (зольные угли, горючие сланцы), и необходимость принятия специальных мер (повышение температуры и/или давления).

3. Невозможность использования негорючего углеродистого материала, так как необходимое для газификации топлива тепло выделяется за счет сжигания самого твердого топлива.

Известен способ сжигания твердого углеводородного топлива путем его высокотемпературного окисления водяным паром по реакции:

Сжигание твердого топлива по известному способу (газификация) осуществляется в газогенераторах путем продувания водяного пара через газопроницаемый слой раскаленного угля и последующего дожигания образовавшихся оксида углерода и водорода (водяного газа) [3].

Сжигание твердого топлива по известному способу позволяет повысить коэффициент использования его теплотворной способности, хотя тепловой эффект реакции {3} составляет: - Qp=-31.05 ккал/г-атом С, но при сжигании полученных оксида углерода и водорода по реакциям:

суммарный тепловой эффект реакций {3, 4, 5} составляет 67.5+57.6-31.05=94.05 ккал/г-атом С, то есть коэффициент использования теплотворной способности твердого топлива возрастает до теоретического.

К недостаткам известного способа относятся:

1. Невозможность использования негорючего углеродистого материала, так как необходимое для газификации топлива тепло выделяется за счет сжигания самого твердого топлива.

2. Необходимость компенсации затрат тепла на протекание эндотермической реакции {3} теплом экзотермических реакций {1, 2}, которая приводит к поочередной или одновременной подаче в газогенератор воздуха и водяного пара, то есть к поочередному получению генераторного и водяного газа или к получению смешанного газа.

3. Использование высокотемпературных газов - диоксида углерода и паров воды, образующихся по реакциям {4, 5}, только в качестве теплоносителей, а не химических реагентов.

Таким образом, способы сжигания твердого углеводородного топлива с его предварительной газификацией осуществляются при следующих условиях:

- газифицируемое твердое топливо должно хорошо гореть;

- газифицирующие агенты - пары воды и диоксид углерода - должны содержать кислород воздуха, обеспечивающий горение;

- высокая температура процесса газификации достигается путем сжигания значительной части топлива по реакциям {1, 2}.

Это означает, что для сжигания негорючего углеродистого материала, например графита, и повышения коэффициента использования теплотворной способности плохо горящего твердого топлива следует осуществлять их газификацию с применением внешних источников тепла.

Известен способ, принятый за прототип, сжигания углеводородного топлива, включающий окисление жидкого или газообразного топлива кислородом воздуха, отличающийся тем, что продукты сгорания - диоксид углерода и вода - пропускаются при температуре свыше 700°С через газопроницаемый слой твердого углеводородного топлива, окисляя его, продукты окисления - оксид углерода и водород - смешиваются с воздухом и дожигаются либо собираются в специальном устройстве для последующей утилизации, а в качестве твердого углеводородного топлива используются древесные отходы, торф, каменный уголь, горючий сланец, нефтешлам или графит [4].

Способ по прототипу осуществляется следующим образом.

При сжигании метана выделяется тепло в соответствии с реакцией:

Теплота сгорания метана Qc=212.8 ккал/моль (889.5 кДж/моль) СН₄. Если нагретые свыше 700°С продукты сгорания метана (СО₂ и Н₂O) пропустить через газопроницаемый слой твердого топлива, то они прореагируют с углеродом:

тепловой эффект реакции - Qp=-41.0 ккал (-171.4 кДж);

тепловой эффект реакции - Qp=-31.05×2=-62.1 ккал (-259.6 кДж).

Затраты тепла на превращение углекислого газа и воды, образованных при сгорании 1 моль метана, в оксид углерода (4 моль) и водород (2 моль) составляют: 41.0+62.1=103.1 ккал (431 кДж).

В то же время, количество теплоты, выделившееся при сжигании четырех молей оксида углерода и двух молей водорода по реакциям {4, 5}, составляет: 67.5×4+57.6×2=385.2 ккал (1610.4 кДж).

Таким образом, суммарный энергетический эффект от сжигания метана по реакции {6}, конверсии продуктов сгорания метана твердым топливом по реакциям {7, 8} и дожигания продуктов конверсии по реакциям {4, 5} составляет 494.9 ккал (2068.7 кДж) на 1 моль CH₄.

Вовлечение в процесс сжигания метана углерода твердого топлива повышает энергетический эффект процесса в 2.3 раза.

Таким образом, можно сжигать твердое топливо, газифицируя его нагретыми продуктами сгорания газообразного или жидкого углеводородного топлива.

К недостаткам прототипа относятся:

1. Необходимость использования герметичного реактора из-за способности водорода к улетучиванию (γН₂=0.09 г/л).

2. Использование водорода, образующегося при газификации твердого топлива по реакции {8} и обладающего высокой восстановительной способностью, только в качестве горючего газа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание способа сжигания углеводородного топлива, позволяющего осуществлять его в открытом реакторе, а образующийся водород дополнительно использовать в качестве химического реагента - восстановителя.

Технический результат достигается тем, что в способе сжигания углеводородного топлива, включающем окисление жидкого или газообразного топлива кислородом воздуха, пропускание продуктов сгорания - диоксида углерода и воды - при температуре свыше 700°С через газопроницаемый слой твердого топлива, окисление твердого топлива с образованием оксида углерода и водорода, согласно изобретению сверху слоя твердого топлива размещают газопроницаемый слой восстанавливаемого вещества, а продукты сгорания - диоксид углерода и воду - пропускают сверху вниз со скоростью, обеспечивающей удержание образующегося водорода в слое восстанавливаемого вещества.

Предлагаемый способ осуществляется в печи, снабженной колосниковой решеткой, где размещаются твердое топливо и восстанавливаемое вещество, газовыми или мазутными горелками, расположенными над колосниковой решеткой, и системой вакуумирования, обеспечивающей регулируемое просасывание газов сверху вниз через слой твердого топлива.

Пример осуществления предлагаемого способа.

Образующиеся при сжигании в горелках метана по реакции {6} пары воды просасываются вниз и взаимодействуют с углеродом твердого топлива по реакции {8} с получением водорода, который диффундирует вверх через слой восстанавливаемого вещества, например железной руды. При этом система вакуумирования, просасывающая сверху вниз через слой твердого топлива диоксид углерода и пары воды, регулируется таким образом, чтобы водород увлекался вниз встречным потоком этих газов и удерживался в слое железной руды.

Имеющий высокую температуру водород взаимодействует с оксидом железа в руде по суммарной реакции:

Пары воды, получаемые по реакции {9}, также просасываются через слой твердого топлива и взаимодействуют с углеродом по реакции {8}, регенерируя водород, который вновь диффундирует вверх в слой железной руды и вновь транспортирует кислород от оксида железа к углероду в виде паров воды. При этом пары воды, образующиеся при восстановлении железа по реакции {9}, дополнительно газифицируют твердое топливо, повышая коэффициент использования его теплотворной способности.

Таким образом, по предлагаемому способу можно осуществлять газификацию твердого топлива с использованием восстановительной способности образующегося водорода.

Источники информации

1. Гофтман М.В. Прикладная химия твердого топлива. - М.: Металлургиздат, 1963, 598 с.

2. Федосеев С.Д., Чернышев А.Б. Полукоксование и газификация твердого топлива. - М.: Гостоптехиздат, 1960, 326 с.

3. Дольх П. Водяной газ. Химия водяного газа и техника его получения. - М.: ОНТИ НКТП, 1938, 240 с.

4. Способ комбинированного сжигания углеводородного топлива. - Патент РФ №2184905 по заявке №2000123631 от 15.09.00. (Прототип).

Способ сжигания углеводородного топлива, включающий окисление жидкого или газообразного топлива кислородом воздуха, пропускание продуктов сгорания - диоксида углерода и воды - при температуре свыше 700°С через газопроницаемый слой твердого топлива, окисление твердого топлива с образованием оксида углерода и водорода, отличающийся тем, что сверху слоя твердого топлива размещают газопроницаемый слой восстанавливаемого вещества, а продукты сгорания - диоксид углерода и воду - пропускают сверху вниз со скоростью, обеспечивающей удержание образующегося водорода в слое восстанавливаемого вещества.