Топливная система и способ ее производства
Изобретение относится к топливной системе и способу производства топливной системы. Топливная система состоит из двух различных обыкновенных ископаемых топлив и одного носителя органического углерода. Количество носителя органического углерода составляет 20% по отношению к общей массе. Изобретение обеспечивает топливо, которое отвечает требованиям ископаемых топлив в отношении топливно-технологических свойств, при этом имеющее явно более низкий выброс из носителя ископаемого углерода на основании свободной энергоемкости. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 1 табл.
Настоящее изобретение относится к топливной системе и к способу производства предлагаемой топливной системы.
Топливо, как правило, служит в качестве энергоносителя при производстве тепла или электрического тока, из уровня техники известно различное число видов топлива, среди которых преобладают так называемые ископаемые виды топлива.
Бурый уголь, каменный уголь, торф, природный газ и нефть являются частью ископаемых видов топлива, которые образовались как продукты разложения мертвых растений и животных, в ходе истории Земли. Ископаемые виды топлива были основаны на круговороте углерода и содержат углерод в качестве основного носителя энергии. Хотя во всем мире спрос на энергоносители в настоящее время удовлетворяется до 81% за счет ископаемых видов топлива, прогнозы показывают, что в ближайшие 25 лет примерно до 90% спроса на энергию будут покрыты за счет ископаемых видов топлива.
Ископаемые виды топлива использовались уже начиная с 18-го и 19-го столетий и они рассматривались как основа для промышленной Революции. Особенно в течение последних 40 лет, всемирный спрос на энергию и, следовательно, потребление ископаемых видов топлива возросли до такой степени, что производство энергии из ископаемых видов топлива вызвало экологические проблемы.
Ископаемые виды топлива в целом основываются на органических углеродистых соединений, которые выделяют энергию в форме тепла в процессе окислительной реакции с кислородом, например в процессе сгорания. Диоксид углерода образуется как побочный продукт этой окислительной реакции.
Таким образом, диоксид углерода, который выделяется при сгорании ископаемых видов топлива, происходит из углеродных соединений, которые хранились в течение миллионов лет, результатом этого массового сжигания является обогащение земной атмосферы углекислым газом.
С другой стороны, двуокись углерода часто упоминается в качестве так называемых "парниковых газов", которые могут повлиять на нарушение экологического баланса на Земле. Предполагается, что двуокись углерода в атмосфере уменьшает отдачу тепловой энергии от Земли к Вселенной, как стеклянная крыша теплицы, при этом количество тепла, получаемое Землей от Солнца, уменьшается очень незначительно. Предполагается что данный эффект ведет к глобальному потеплению.
Для контроля выбросов СО2 в атмосферу Европейским Союзом согласно Киотского протокола были сформулированы задачи по защите климата, а также в связи с этим были даже введены так называемые квоты выбросов. С 2005 года государства ЕС были обязаны директивою ЕС по торговле квотами выбросов подать заявление в Национальный план распределения каждый раз в начале периода торговли квотами выбросов. Этот план фиксирует количество парниковых газов каждого большого источника страны, которое можно выбрасывать в течение определенного периода. Статья 9 этих Директив предусматривает рассмотрение и утверждение этого плана распределения Комиссией ЕС на основе 12 критериев. Это касается, прежде всего, совместимости собственных целей страны в рамках Киотского протокола, равных условий для предприятий, а также соблюдения конкурентоспособного права ЕС. Если выбросы компании превышают квоту, которая была выделена на это, компания должна купить дополнительное право на выброс у другой компании. Это может быть сделано, например, энергетическим обменом ЕХХА. С другой стороны, если компания выбрасывает меньше квоты, которая была выделена для этой компании, она может продавать избыточные объемы выбросов для других компаний. Однако для фактического сокращения доли СО2 в атмосфере позволенные выбросы постепенно уменьшаются.
Основными источниками СО2 являются отрасли промышленности и экономики, имеющие высокий спрос на энергоносители. Например, электростанции, нефтеперерабатывающие заводы, коксовые заводы, металлургические комбинаты, цементная промышленность, стекольная промышленность, производство извести, кирпича, изоляционных материалов, керамическая промышленность, целлюлозно-бумажная промышленность.
Один из способов избежать накопления СО2 в атмосфере является использование так называемых возобновляемых источников энергии. Главным образом это энергия ветра, гидроэнергия, солнечная энергия и использование биомассы в качестве топлива и для производства биогаза. Однако, если биомассы используются в качестве энергоносителя, проблема заключается в том, что биомассы имеют явно более низкую энергоемкость по сравнению с ископаемыми видами топлива. С другой стороны, биомассы имеют преимущество в том, что они взяты в качестве энергоносителя из текущего круговорота углерода. Это означает, что в масштабах истории Земли, диоксид углерода, который выделяется в результате окислительного преобразования биомассы, был образован совсем недавно и будет вскоре удален повторно из круговорота углерода посредством роста растений, если биомассы будут одновременно посажены повторно. Таким образом, баланс углекислого газа будет достигнут, а накопление двуокиси углерода в атмосфере будет предотвращено.
Тем не менее, в связи с явно более низкой энергоемкостью, виды топлива на основе биомассы, известные из уровня техники, не могли быть использованы до сих пор с достаточной эффективностью в крупной промышленности. Кроме того, использование биомассы в качестве топлива требует топливных технологий, которые отличаются от тех, которые задействованы в сжигании ископаемых топлив, например, таких как каменный уголь и бурый уголь. С одной стороны, выделение определенного количества энергии требует сгорания, безусловно, большего количества биомассы, чем ископаемого топлива, и с другой стороны, использование биомассы в качестве топлива в промышленных масштабах требует дорогостоящей модификации уже установленной топливной системы.
Помимо энергоемкости, биомассы, которые используются в качестве топлива, отличаются от ископаемых топлив такими дополнительными свойствами, как содержание золы, летучих веществ, содержание водорода и содержание воды. Однако все эти факторы играют важную роль в промышленном использовании топлива в зависимости от конкретного случая применения, так что часто не представляется возможным заменить ископаемые топлива на биомассы в качестве топлива в области промышленного применения.
Таким образом, цель данного изобретения заключается в предоставлении топлива, которое, с одной стороны, является экологически более благоприятным, а с другой стороны, может использоваться без ограничений для промышленного применения. Кроме того, целью данного изобретения также является обеспечение способа производства такого топлива.
Что касается топлива, цель достигается посредством топливной системы, которая характеризуется тем, что она состоит из смеси, по меньшей мере, двух разных обычных ископаемых топлив и, по меньшей мере, одного донора органического углерода, при этом количество донора органического углерода составляет, по меньшей мере, 20% по отношению к общему весу.
Предлагаемая топливная система предпочтительно состоит из, по меньшей мере, двух разных обычных ископаемых топлив и, по меньшей мере, одного донора органического углерода.
Под донорами органического углерода в контексте данного изобретения, как правило, подразумевают биомассы. Особенно подходит в качестве доноров органического углерода возобновляемое растительное сырье такое, как древесина, натуральное волокно, растительное масло, сахар, крахмал, сушеные овощи и зерновые.
Обычные ископаемые топлива, которые предпочтительно используются в предлагаемой топливной системе, представляют собой бурый уголь, каменный уголь и/или антрацит.
В варианте осуществления предлагаемой топливной системы первое обычное ископаемое топливо имеет показатель отражательной способности витринита Rm >2,0, при этом второе обычное топливо имеет показатель отражательной способности витринита Rm 0,4-2,0.
Показатель отражательной способности витринита Rm дает информацию о зрелости и тепловыделении используемого обычного ископаемого топлива. Кроме того, показатель отражательной способности витринита связан с процессом горения применяемого обычного ископаемого топлива, так что оптимизация процесса горения топливной системы возможна благодаря выбору обычного ископаемого топлива с показателем отражательной способности витринита в пределах заданного диапазона. Таким образом, процесс горения в предлагаемой топливной системе может быть адаптирован к процессу горения чистого ископаемого топлива, которое обычно используется, например, в силовых установках, где под процессом горения должно подразумеваться, в частности, энергетическая ценность, теплопроизводительность, а также зольный остаток. Это позволяет использовать предлагаемую топливную систему в существующих системах сгорания без дополнительных специальных изменений установки. Таким образом, предлагаемая топливная система позволяет экологическую оптимизацию систем сгорания, без необходимости делать специальные изменения установки.
В соответствии с дополнительным вариантом осуществления предлагаемой топливной системы были использованы, по меньшей мере, три обычных ископаемых топлива, при этом одно имело показатель отражательной способности витринита Rm>3,0, второе имело показатель отражательной способности витринита Rm в диапазоне >2,0-3,0, а третье имело показатель отражательной способности витринита Rm в диапазоне 0,4-2,0.
Этот дополнительный вариант осуществления предлагаемой топливной системы позволяет, в частности, адаптацию индекса размолоспособности Хардгрова так, что топливная система может быть также адаптирована в отношении этого параметра к специальным условиям установки, например угольным дробилкам.
Кроме того, этот вариант осуществления дает возможность тщательной адаптации содержания серы топливной системы, таким образом, топливная система может быть адаптирована к специальным условиям установки относительно содержания серы, например системам очистки от серы дымовых газов.
Предлагаемая топливная система обеспечивает топливо, которое отвечает требованиям ископаемых топлив в отношении топливно-технологических свойств, при этом имеющее явно более низкий выброс из носителя ископаемого углерода на основании свободной энергоемкости.
Доля органического носителя углерода в предлагаемой топливной системе составляет не менее 20% по весу относительно общей массы.
Таким образом, топливная система имеет эффективное содержание ископаемого углерода, сниженное, по меньшей мере, на 11% по сравнению с ископаемыми топливами, в отношении теплопроизводительности, при этом процентное содержание ископаемого топлива было связано с теплопроизводительностью для расчета эффективного содержания ископаемого углерода.
В дополнительном варианте осуществления предлагаемой топливной системы, топливная система содержит вместе с ископаемым топливом и носителем органического углерода очищающий продукт, выбранный из группы, состоящей из кокса, нефтяного кокса, кокса лигнита, древесного угля.
Что касается способа, цель изобретения достигается посредством способа производства описанных выше видов топливной системы, включающей следующие этапы, на которых:
1) выбирают первое обычное ископаемое топливо с низким содержанием летучих веществ и показателем отражательной способности витринита Rm>2,0, второе обычное ископаемое топливо со средним содержанием летучих веществ и показателем отражательной способности витринита Rm 0,4-2,0, и носитель органического топлива;
2) смешивают первое обычное ископаемое топливо со вторым обычным ископаемым топливом;
3) смешивают полученную на этапе 2 смесь с носителем органического топлива;
при этом на этапе 3 добавляют к смеси, полученной на этапе 2, носитель органического топлива в количестве 20% по весу относительно общей массы.
Предпочтительно, выбранное первое обычное топливо включает летучую фракцию, содержащую воду и не содержащую золу (WAF)≤10% по весу. Подходящими обычными топливами с такими свойствами являются, например, антрацит и/или тощий уголь.
Предпочтительно, выбранное второе обычное топливо включает летучую фракцию, содержащую воду и не содержащую золу, между >10% по весу и <40% по весу. Подходящими обычными топливами с такими свойствами являются, например, кузнечный уголь, жирный уголь, газовый уголь, длиннопламенный уголь, каменный уголь, предварительно высушенный черный лигнит или предварительно высушенный матовый бурый уголь.
По данному изобретению в качестве носителей органического углерода на этапе 3 подмешивают твердые биомассы, например, древесину, древесные гранулы, древесную стружку, натуральные волокна, злаки, сахар или сушеные овощи.
В дополнительном варианте осуществления предлагаемого способа первое обычное ископаемое топливо получают путем смешивания двух видов обычного ископаемого топлива, имеющих различный показатель отражательной способности витринита, перед этапом 1, при этом одно обычное ископаемое топливо имеет показатель отражательной способности витринита Rm>3,0 и другое обычное ископаемое топливо имеет показатель отражательной способности витринита Rm между >2,0 и 3,0.
Дополнительный вариант осуществления изобретения может предусматривать насыщение твердых биомасс в целом жидким носителем органического углерода, таким как, например, растительное масло, растительные жиры и/или спирт, перед смешиванием со смесью обычных ископаемых топлив, полученной на этапе 2. Альтернативно, предусматривается, что в целом жидкий носитель органического углерода смешивается со смесью обычных топлив и носителей органического углерода, полученной на этапе 3.
Во избежание склеивания или слипания во время транспортировки или перевозки топливной системы, один вариант осуществления изобретения предусматривает, что топливная система, полученная способом согласно изобретению, в конце смешивалась с пылью или порошкообразной добавкой. Такими добавками могут быть опилки, шелуха бобовых или угольная пыль. Добавление такой добавки позволяет избежать склеивания или слипания топливной системы, особенно в случае добавления в целом жидких носителей органического углерода, и полученная топливная система далее сохраняется в идеальном состоянии для транспортировки и перевозки в обычных известных из уровня техники установках. Предлагаемая топливная система, которая была получена посредством способа согласно изобретению, особенно подходит как топливо для силовой установки для производства электроэнергии и/или тепла, для производства бумаги, для производства стекла и минеральных сплавов, а также бытового топлива.
Предлагаемая топливная система и способ ее производства описаны на приведенных ниже примерах, которые никоим образом не ограничивают изобретение.
В приведенной ниже таблице, показаны примеры основных характеристик различных ископаемых топлив и носителей органического углерода.
Таблица
| Параметры (сырье) | Уголь антрацит | Жирный уголь | Древесные гранулы |
| Вода в % по весу | 4.00 | 9.01 | 8.00 |
| Зола в % по весу | 8.50 | 20.50 | 0.46 |
| Летучие вещества в % по весу | 5.20 | 21,26 | 78,20 |
| Сера в % по весу | 1.60 | 0.93 | 0.06 |
| Водород в % по весу | 2.50 | 3.05 | 5.87 |
| Углерод в % по весу | 80.25 | 57.85 | 46.00 |
| Энергетическая ценность Н0,Дж/г | 30675 | 22705 | 18216 |
| Теплопроизводительность Нu, Дж/г | 30027 | 21833 | 17645 |
| Теплопроизводительность Нu, кал/г | 7172 | 5215 | 3999 |
ПРИМЕР 1
33% по весу слаболетучего антрацитового угля смешивали с 33% по весу среднелетучего жирного угля в смесительном барабане, пока не получили однородную смесь. В смесительный барабан в полученную смесь добавили 33% по весу древесных гранул и продолжали перемешивание до получения в значительной степени однородной смеси. Анализ полученной смеси показал содержание воды 7,00% по весу, зольность 9,8% по весу, фракцию летучего вещества (waf) 34,89% по весу, содержание серы 0,86% по весу и общую долю углерода 61,37% по весу, при этом из общего содержания углерода 61,37% по весу 46,03% по весу составляет ископаемый углерод и 15,33% по весу составляет органический углерод. Полученная смесь показала энергетическую ценность Н0 - 23865 Дж/г и теплопроизводительность Нu - 5462 кал/г.
Полученная смесь показала отличный процесс горения и может сжигаться в котельно-нагревательной печи, ранее работавшей на ископаемом топливе, без каких-либо изменений в установке.
Относительно энергоемкости антрацитового угля, смесь содержала долю ископаемого углерода, которая была меньше на 20,11%. По сравнению с энергоемкостью среднелетучего жирного угля, смесь показала содержание ископаемого углерода меньше на 13,94%.
ПРИМЕР 2
В форме, описанной в примере 1, 40% по весу низколетучего антрацитового угля смешивали с 30% по весу среднелетучего жирного угля и 30% по весу древесных гранул в качестве носителя органического углерода. Полученная смесь показала содержание воды 6,70% по весу, зольность 9,69% по весу, фракцию летучего вещества (WAF) 31,92% по весу, содержание серы 0,94% по весу, содержание водорода 3,68% по весу. Общая доля углерода в смеси составила 63,26% по весу, при этом 49,46% по весу составлял ископаемый углерод и 13,80% по весу составлял органический углерод. Смесь имеет энергетическую ценность Н0 - 24546 Дж/г и теплопроизводительность Нu - 5633 кал/г. Относительно энергоемкости антрацитового угля, смесь показала долю ископаемого углерода, которая была сокращена на 17,28% и на 12,06% относительно среднелетучего жирного угля.
ПРИМЕР 3
В форме, описанной в примерах 1 и 2, 60% по весу низколетучего угля смешивают с 10% по весу среднелетучего угля и 30% по весу носителя органического углерода. Полученная смесь показала содержание воды 5,70% по весу, зольность 7,29% по весу, фракцию летучего вещества (waf) 28,71% по весу, содержание серы 1,07% по весу и содержание водорода 3,57% по весу. Общее доля углерода составила 67,74% по весу, при этом 53,94% по весу составлял ископаемый углерод и 13,80% по весу составлял органический углерод. Смесь имеет энергетическую ценность Н0 - 26140 Дж/г и теплопроизводительность Нu - 6024 кал/г. По сравнению с низколетучим углем, смесь показала содержание ископаемого углерода, которое было сокращено на 16,06%, а по сравнению со среднелетучим ископаемым углем содержание углерода было сокращено на 11,18%.
1. Топливная система, которая состоит из смеси, по меньшей мере, двух обычных различных ископаемых топлив и, по меньшей мере, одного носителя органического углерода, при этом количество носителя органического углерода составляет, по меньшей мере, 20% по отношению к общей массе, отличающаяся тем, что одно обычное ископаемое топливо имеет показатель отражательной способности витринита Rm>2,0, а второе ископаемое топливо имеет показатель отражательной способности витринита Rm 0,4-2,0.
2. Топливная система по п.1, отличающаяся тем, что система включает бурый уголь, каменный уголь и/или антрацит в качестве обычного ископаемого топлива.
3. Топливная система по одному из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что содержит, по меньшей мере, три различных обычных ископаемых топлива, при этом одно топливо имеет показатель отражательной способности витринита Rm>3,0, второе имеет показатель отражательной способности витринита Rm между > 2,0 и 3,0, а третье имеет показатель отражательной способности витринита Rm 0,4-2,0.
4. Топливная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что система включает биомассы в качестве донора органического углерода.
5. Топливная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что включает в качестве донора органического углерода, по меньшей мере, одно возобновляемое растительное сырье, выбранное из группы, включающей древесину, натуральное волокно, растительные масла, спирт, сахар, крахмал, сушеные овощи и злаки.
6. Топливная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что содержит очищающий продукт, выбранный из группы, состоящей из кокса, нефтяного кокса, кокса бурого угля, древесного угля.
7. Топливная система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что показывает эффективное содержание ископаемого углерода, которое снизилось, по меньшей мере, на 11% по сравнению с ископаемыми топливами, в отношении теплопроизводительности, при этом процентное содержание ископаемого топлива было связано с теплопроизводительностью для расчета эффективного содержания ископаемого углерода.
8. Способ производства топливной системы по одному из пп.1-7, при этом указанный способ, включает следующие этапы, на которых:
- выбирают первое обычное ископаемое топливо с низким содержанием летучих веществ и показателем отражательной способности витринита Rm>2,0, второе обычное ископаемое топливо со средним содержанием летучих веществ и показателем отражательной способности витринита Rm 0,4-2,0 и носитель органического топлива;
- смешивают первое обычное ископаемое топливо со вторым обычным ископаемым топливом;
- смешивают полученную на этапе 2 смесь с носителем органического топлива;
при этом на этапе 3 добавляют к смеси, полученной на этапе 2, носитель органического топлива в количестве 20% относительно общей массы.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что первое обычное топливо включает летучую фракцию, содержащую воду и не содержащую золу, (WAF)<10% по весу.
10. Способ по п.9, отличающийся тем, что первое обычное топливо выбирают из группы, состоящей из антрацита и тощих углей.
11. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что второе обычное топливо включает летучую фракцию, содержащую воду и не содержащую золу (WAF) между >10% и <40% по весу.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что второе обычное топливо выбирают из группы, состоящей из кузнечного угля, жирного угля, газового угля, длиннопламенного угля, каменного угля, предварительно высушенного черного лигнита или предварительно высушенного матового бурого угля.
13. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что первое обычное ископаемое топливо получают путем смешивания обычного ископаемого топлива, имеющего показатель отражательной способности витринита Rm>3,0, с обычным ископаемым топливом, имеющим показатель отражательной способности витринита Rm между >2,0 и 3,0.
14. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что в целом твердые биомассы, предпочтительно древесину, древесные гранулы, древесные щепы, натуральные волокна, злаки, сахар или сушеные овощи, примешивали в качестве носителя органического углерода.
15. Способ по п.14, отличающийся тем, что перед смешиванием в целом твердые биомассы пропитывали в целом жидким носителем органического углерода, предпочтительно растительным маслом, растительным жиром и/или спиртом.
16. Способ по п.8 или 9, отличающийся тем, что до примешивания носителя органического углерода очищенный продукт, выбранный из группы, содержащей кокс, нефтяной кокс, кокс лигнита и древесный уголь, примешивали к смеси, полученной на этапе 2.
17. Способ п.8 или 9, отличающийся тем, что пыль или порошкообразную субстанцию, предпочтительно опилки, шелуху бобовых или угольную пыль, примешивали в смесь, полученную на этапе 2 и/или на этапе 3.
18. Использование топливной системы, полученной в соответствии со способом, который был определен по одному из пп.8-17, в качестве топлива для силовой установки для производства электроэнергии и/или тепла, для производства бумаги, для производства стекла и/или минеральных сплавов, а также бытового топлива.
