CN116829497A - 作为燃煤电厂用的添加剂的节能和环保燃料 - Google Patents

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Abstract

氢能工业是一种以氢和其他化合物为基础的新型燃料，通过替代一半以上的煤基燃料，对热电厂燃煤的环境影响作出贡献。事实上，热电厂的煤被认为是最大的污染源，这种燃料不仅可以消除二氧化碳，还可以消除大气中释放的其他有害气体。使用一种新的替代燃料作为煤炭的补充，以45％至60％的比例替代煤炭，以便新燃料净化其余煤炭并将其变成一堆灰。这种富含矿物质的灰可在农业肥料生产中进一步加工。本发明替代化石燃料，意味着减少了有害废气的排放以及热电厂燃中作为煤的副产物的粉尘的数量。

Description

作为燃煤电厂用的添加剂的节能和环保燃料
发明概述
气候变化正在全球范围内发生，而且比科学家预测的要快得多。工业发展导致的全球变暖导致干旱、洪水和极端天气干扰。保护我们的地球对后代来说是必要的并且这就是为什么我们现在必须采取行动。
特别是在1997年底在日本签署《京都议定书》之后，已经采取了一些行动，目的是稳定大气中的温室气体数量，以防止我们的气候发生严重变化。一个共识是，需要发明新技术并将其投入商业使用，以减少以化石燃料为基础的普遍使用的传统能源生产形式的负面影响。在减少使用化石燃料的其他努力(例如使用可再生能源和生物质能)中，(HI的)发明人选择了探索一种安全且价格合理的制氢方法，该方法可以替代50％的煤炭使用量。世界各地的许多其他科学家、研究人员和专家都对氢气的生产进行了探索，但HI的独特之处在于它是在热电厂中生产和燃烧的。
本发明涉及基于氢气生产的燃料和可燃混合物，其可在热电厂中用作化石燃料的替代品。这项发明替代了化石燃料，这意味着减少了二氧化碳等有害气体的排放。然而，本发明还有另外的特性：它结合燃烧煤炭产生的CO2。此外，本发明还可能够减少作为燃烧过程副产物产生的粉尘量。
背景技术
本发明为可燃燃料，其需要带有或不带有附加绝热体的密闭容器。稍后将解释容器罐的特性以及罐内燃烧期间固相和液相之间的关系。该容器罐被视为燃料的一部分，因为它必须由易燃材料制成，并且在炉内起到燃烧触发剂的作用。通过可燃混合物的化学反应，生成了氢气并且收集在罐中。罐在熔炉中燃烧并且引发氢气的燃烧。如果使用绝热体，则该绝热体也必须是易燃的，并且也是燃料的一部分。绝热体有助于保持氢气在罐内，并且触发燃烧过程。
本发明代表新的可燃燃料，其释放的能量是褐煤的15倍，焦炭的4至5倍。为了做到这一点，必须将燃料密封在不透水的容器中。在本发明的另一实施方式中，罐内部涂有绝热体，并且氢气被固定以防止气体的泄漏。在燃烧过程中，罐和绝热体在炉内燃烧并点燃氢气。这种绝热体的示例为焦油基粘合剂或类似材料。罐由聚合物制成，优选聚氯乙烯(PVC)，因为它具有非常易燃的特性。
本发明的主要目的是制备一种替代燃料，该燃料可替代煤炭同时提供相同的电量，从而降低煤炭开采和运输至热电厂的成本。其次，本发明旨在减少由于煤炭燃烧不完全而导致的温室气体的大量排放。
通过制备由固体部分和液体部分组成的易燃混合物，解决了技术要求。该混合物置于密封聚乙烯软管(容器)中，其带有将液体部分和固体部隔开的屏障，该屏障在与液体接触时逐渐分解，使液体和固体结合。这使得发生化学反应，产生氢气。这将点燃由液体和固体燃料混合而形成的合成燃料，燃烧时释放大量的氢能量。这一切都发生在8×4厘米的聚乙烯罐中。
现有技术
欧盟的排放许可或温室气体排放核查(Greenhouse Gas EmissionVerifications，GHGV)价格上涨，达到创纪录的43.14欧元/吨。2021年，排放许可的价格上涨了32.4％，是2013年4月17日的16倍。许可的高昂价格增加了欧盟温室气体排放国的成本，从而对其造成压力。通过这样做，燃煤发电厂以及工业设施的竞争力降低，甚至倒闭。
据申请人所知，没有类似的燃料可以替代化石燃料。在制氢方面投入了大量精力，在专门用厂房中生产和储存氢气，该厂房与热电厂一起热电联产。这其中大部分工作产生了水的热化学分解(气化)原理，水蒸汽被带入锅炉，在锅炉中在固相和液相中发生以下反应：
固相：
液相：
本发明包括所有这些反应，尤其是依依赖这样一个事实，在热电厂的锅炉中，水在高温下与煤接触，因此这些反应是不可避免的。然而，该工艺只是可实现氢气的生产和就地使用(无需运输和储存)的整个工艺的一部分。
另一方面，文件US7014834描述了使用生石灰(CaO，氧化钙)吸收热电厂排放的CO2。根据上述文件，证明CO2吸收化学性质的基本化学反应如下：
C+H2O＝CO+H2
H2O+CO＝CO2+H2
CaO+CO2＝CaCO3
组合：C+2H2O+CaO＝CaCO3+2H2
当生石灰在固相中时，在提取CO2的反应过程中添加生石灰。然而，本发明提供了生石灰的多重作用，不仅用于将CO2结合，以降低排放，而且还用于产生H2和其他反应，以改善可燃混合物的可燃性。
发明内容
在描述本发明的基础之前，除非另有规定，否则应该对术语进行定义，此处将以其特定含义使用这些术语。
易燃混合物指固态和液态的混合物。这两种状态都包括多种组分。下面将列出所有组分。
合成燃料是一种易燃混合物，密闭地密封在带或不带绝热体的8×4厘米的聚氯乙烯罐中，在添加化学组分后进行焊接。稍后将解释容器罐的特性以及罐内燃烧期间固相和液相之间的关系。容器罐被视为燃料的一部分，因为它在锅炉中用作触发剂，必须是易燃的。
通过可燃混合物的反应，生成氢气并且在8×4厘米的聚氯乙烯容器中累积，该容器在锅炉中燃烧并点燃氢气。如果使用绝热体，其也必须是易燃的。绝热体通过与氢结合而有助于将氢分子保持在PVC罐内。另一方面，绝热体刺激燃烧并有助于容器燃烧，同时点燃氢气，因此被视为燃料的一部分。
HI燃料的能量含量
·混合物0-纯煤
·混合物1-0.44kg的煤，以及10包H-I燃料
·混合物2-0.54kg的煤，以及8包H-I燃料
输入至锅炉中的计划能量的比较显示在图3.3中。
结论
1、使用纯煤以及煤和HI燃料的混合物，通过测量和计算得出以下值
2、水的传热几乎相同
3、效率(根据烟气计算)
4、硫含量(烟气中含0％的O2)随H-I燃料含量的增加而减少
可得出结论，H-I燃料的预设热值为94MJ/kg，预设PE低位热值为42.193MJ/kg，实测烟煤热值为26.690MJ/kg。
对烟气中硫的分析表明，随着燃料混合物中H-I燃料含量的增加，硫含量降低，例如，对于燃料混合物2(0.44kg煤+10包H-I燃料)，炉气中硫的含量几乎降低了50％。
根据ASTM d 4326标准，使用能量色散X射线荧光光谱仪(EDXRF)对煤灰的成分进行分析。分析的样品是退火过程后的灰(无机灰分析)。获得了以下结果：
可观察到煤灰成分中的氧化铁、二氧化硅的量减少，氧化钙的量增加。
因此，本发明发现了一种新的可燃混合物，该混合物在燃烧过程中释放的能量是褐煤释放能量的15倍，是焦炭释放能量的4至5倍。为了做到这一点，必须将可燃混合物封闭在密闭容器中。该容器具有防止固体物质和液体物质之间直接接触的屏障，但该屏障与液体物质的酸性组分接触时，逐渐分解并允许固体和液体之间接触。也就是说，事实上，这是导致制氢的化学反应的主要触发因素。因为容器是气密性密封的，因此氢气仍留在容器里。在本发明的先前实施方式中，容器的内部将涂布有绝热体，绝热体与氢结合，以防止炉中氢的泄漏。由于绝热体和容器都是易燃的，它们将锅炉的氧化气氛中的氧气点燃。这种绝热体的示例为焦油类粘合剂或类似材料。该容器由聚合物制成，优选聚氯乙烯(PVC)，因为其具有非常易燃的特性。
除了可燃混合物之外，本发明还涉及在热电厂锅炉、工业炉或区域加热炉中使用这种燃料的方法。
具体实施方式
上述易燃混合物能够替代热电厂所需的一部分煤，其由固体物质和液体物质制成，其中固体物质相由以下组分组成：
铝粉；至少一种M1X2，其中M1可为氧化态+2的任何金属，X可为任何卤素；M2CO3，其中M2可为任何二价金属；氯化锌铵；石英砂形式的SiO2；和生石灰。
而液态物质相由以下组分组成：
至少一种C1-C6羧酸，或所述羧酸的至少一种酸酐，或其至少一种酯或酰胺；甲基纤维素；甲醛或其商用溶液-福尔马林；铵和水。对于本领域技术人员来说，水的存在是显而易见的，因为液体物质由上述化学品的水溶液组成。因此，水的百分比不言自明，不再赘述。至于可燃混合物中固体物质和液体物质的重量百分比，固体的百分比可在32％w/w至46％w/w之间，液体的百分比可在54％w/w至68％w/w之间。在本发明的一个实施方式中，固态物质在36％w/w至42％w/w之间，液体百分比为58％w/w至64％w/w。在本专利申请中给出的实施本发明的另一实施方式中，固体的含量为39％w/w，液体的含量为61％w/w。
在上述规定的重量百分比中，这些组分占固体物质的百分比如下：
根据本发明更理想的实施方式，固体组分以以如下重量百分比存在：
为了满足本发明燃料作为热电厂中替代煤的燃料的需求，各组分以如下重量百分比存在：
就液体物质及其组分而言，它们以如下百分比存在：
至少一种羧酸，或所述羧酸的至少一种酸酐，或其至少一种酯或酰胺可以10％至27％的范围存在；
甲基纤维素可以20％至40％的范围存在；
甲醛或其商用溶液-福尔马林以1％至10％的范围存在；
其余部分为水，这是不言自明的。
根据本发明的一个实施方式，液体物质的组分以如下重量百分比存在：
至少一种羧酸，或所述羧酸的至少一种酸酐，或其至少一种酯或酰胺可以5％至22％的范围存在；
甲基纤维素可以25％至35％的范围存在；
甲醛或其商用溶液-福尔马林可以3％至7％的范围存在；
其余部分由水组成。
在描述的实施本发明的示例中，液体组分的重量百分比如下：
至少一种羧酸，或所述羧酸的至少一种酸酐，或其至少一种酯或酰胺以17％存在；
甲基纤维素以29％存在；
甲醛或其商用溶液-福尔马林以5％存在；
其余部分由水组成。
上述混合物的描述中的M1和M2，或更准确地说，固体物质的描述中的M1和M2，在一个实施方式中，选自Fe(铁)、Cu(铜)和Zn(锌)。另一方面，在同一实施方式中，至少一种羧酸或其至少一种衍生物选自C1-C3羧酸组成的组中；而甲基纤维素选自明胶和tylose。
在热电厂中使用这种燃料作为煤的替代品期间(这并应不意味着煤被视为限制因素，并且也不会缩小本专利权利要求保护的范围和主题)，M1和M2为Zn，其中M1X2表示ZnCl2和ZnBr2的混合物。在使用本发明燃料的过程中，使用的甲基纤维素是tylose，而液体中含有两种羧酸，即：C1羧酸，也称为甲酸；和C2羧酸，称为乙酸。
为了改善燃料的易燃性，可向可燃混合物中添加焦炭或乙醇等添加剂，其中焦炭添加到固相，乙醇添加到液相。
本发明的另一个特性是所提出的在热电厂中发电的方法，包括使用前文描述的燃料替换一部分煤。本发明的燃料已经可以替代所需煤炭的50％以上。根据本发明，可替代多达60％的所需煤炭，经过一些修改甚至可替代多达100％的煤炭，主要是在锅炉所用的材料中。本段中的百分比指体积或其他含量。根据其热值，1kg的本发明燃料可替代15kg的褐煤或4至5kg的焦炭。此外，利用所要求的使用方法，二氧化碳排放可减少75％。
本发明的下一个主题是在热电厂中用作替换/替代燃料。在使用燃料的过程中，可燃混合物或其组分结合热电厂燃煤产生的有害废气。尤其是，这是指二氧化碳的结合。
涂布在容器内侧的绝热体在工艺中的作用是收集并激活氢气的燃烧。甲基纤维素使绝热体防止氢气从容器中流出。甲基纤维素可为明胶或tylose，或也可为另外的工业上可获得的甲基纤维素。
本发明可用于所有固体燃料炉，除了热电厂之外，还包括不同容量的工业和中央加热炉，前提是炉的最低工作温度不低于350℃。
当燃料入炉时，形成铝酸钙盐3CaO×Al2O3作为燃烧产物，同时以气泡形式释放出三个氢分子。石英砂、生石灰和水反应形成水化硅酸钙。形成水化硅酸钙所需的硫在煤中作为一种杂质出现。密闭容器具有收集这些反应中的氢气的功能，在燃料进入熔炉时起到“保险丝”的作用。正如氢可以在氧气环境中燃烧一样，氧也可以在氢气环境中燃烧。如果两体积的氢气和一体积的氧气混合在一起(爆炸性气体)，点燃后该混合物将发生爆炸。因此，本发明提供了由石英砂、石灰、水和煤中的硫形成水化硅酸钙的方法，该方法在燃烧期间提取氧气，防止产生爆炸性气体。
铝以高纯度铝粉的形式存在于可燃混合物的固体物质中。高纯度意味着期至少含有90％的铝。使用比表面积为7000cm2/g的铝可获得最佳结果。铝粉的体积密度要求为约0.15kg/dm3。
一千克氢气在燃烧过程中释放143,146千焦/千克的能量，而新发明的燃料释放95,690千焦/千克的能量，即纯氢燃烧能量的67％。这种可用性来自于氢在燃料中燃烧的事实——换句话说，氢在容器内燃烧，可燃混合物的组分在容器中形成氧化性气氛，产生更多的氢。
燃料燃烧分为4个阶段：
a)在第一阶段中，可燃混合物的固体和液体组分之间发生反应产生氢气。氢气包含在燃料中，因为气密性容器将其保存在容器内部。炉内的易燃绝热体和容器将容器内的氢气点燃。
b)纯氢在热电厂(1000℃)的极热锅炉中产生氢气的混合物附近燃烧，导致氢气从混合物中的水中加速挤出。
c)分离氢气后，使混合物中的铝酸盐和其他易燃硅酸盐组分燃烧。
d)无论如何使用燃料，混合物中的不可燃部分，氧化钙或生石灰在与其他气体一起通过热电厂烟囱或其他电厂时，通过与有害废气结合，进一步净化有害废气。通过这种方式，高达75％的废气得到净化，使其是环境可接受的。
根据本发明的聚乙烯容器生产的进程如下：
a)两个接触辊具有2mm宽、1mm深的联锁槽。如果下辊纵向有槽，则放置上辊槽，以便在切割双箔时，通过动力切割出含有所生成的氢气的矩形/正方形。容器内的空间需要大于粒状可燃混合物体积的三分之二，以便为容器内产生的氢气腾出空间。
b)经过一定时间，更准确地说，几小时后，可燃混合物将产生足够的氢气，使颗粒看起来膨胀。在这个阶段，它准备好可以燃烧。
当温度高于300摄氏度时，PVC容器会燃烧，并使得氢气可以均匀分离及其燃烧，同时水中的氧气会与混合物结合。然后生成水化硅酸钙，防止形成爆炸性气体。
碳酸锌(ZnCO3)在脱水后以不溶于水的白色粉末的形式出现。然而，作为商业化产品，其以水合物形式作为碱性碳酸锌(2ZnCO3×3Zn(OH)2)出售。本发明使用碱性碳酸锌。
固体物质的主要反应发生在生石灰(CaO)与混合物液体部分的水接触时产生的苛性钠或熟石灰(Ca(OH)2)上。这是制氢的基础。这些反应如下：
1、2Al+3Ca(OH)2＝3CaO x Al2O3+3H2
2、2Al+Ca(OH)2+6H2O＝3CaO x Al2O3+3H2
3、7ZnBr2+Ca(OH)2+6H2O＝7ZnO+7Br2+7H2或14HBr
4、2ZnCO3+3Ca(OH)2+＝2ZnO2+2CaCO3+2CaO+3H2
5、2ZnCO3 x 3Zn(OH)2+2Ca(OH)2＝6ZnO2+CaCO3+CaO+5H2
6、2ZnCl2 x 2NH4CI+2Ca(OH)2+2H2O＝2ZnO+2NH4OH+2CaO+3H2+2Cl2
应注意的是，与水接触的CaO的另一部分转化为熟石灰Ca(OH2)+6H2O，它与铝一起开始如2所列的反应。
另一方面，液体组分与Ca(OH)2之间产生氢气的反应如下：
7、2HCOOH+2Ca(OH)2+2H2O＝3CaO+2CO2+6H2
8、CH3OH+Ca(OH)2＝CaCO3+3H2
9、HCHO+Ca(OH)2+＝CaCO3+3H2
聚氯乙烯容器燃烧时，会发生以下反应：
10、C+H2O＝CO+H2
11、H2O+CO＝CO2+H2
12、CaO+CO2＝CaCO3
组合：C+2H2O+CaO＝CaCO3+2H2
通常，CaO是由Ca(OH)2制成，Ca(OH)2因受热而失水，C是煤中的碳。因此，通过本发明，氢不仅在燃料内部形成，而且也在水蒸汽气化反应中形成。燃料液体部分中的水与煤中的水分一起负责气化。
煤的低位热值从无烟煤的29,310千焦/千克到褐煤的12,250千焦/千克不等。就热值而言，当以1000kg为基数计算，替代50％的煤炭量时，褐煤需要1250Nm3的氢气，无烟煤需要521Nm3的氢气。将其转换为质量，即无烟煤为110kg氢气，褐煤为42.7kg氢气。因此，1000kg无烟煤释放的热量相当于500kg的无烟煤富含110kg的氢气，或者在另一种情况下，相当于500kg的褐煤富含42.7kg的氢气。换言之，按质量计百分之8的这种燃料可替代按质量计约百分之50的煤炭。此外，假设无烟煤为100％的煤，500kg的煤和110kg的氢中的煤和氢比率为C:H＝1:1.32。煤氢比是重要的能源和环境指标之一。天然气的比例C:H＝1:4，汽油的C:H＝1:2。考虑到这一点，碳的百分比越高，对环境的影响就越有害，因为产生的二氧化碳越多。这就是为什么根据上述反应12制备可燃混合物燃料，以减少环境风险的原因。

Claims (33)

1.一种可燃混合物，由固体部分和液体部分组成，其特征在于所述固体部分包括：
铝粉；
至少一种M1X2，其中M1可为氧化态+2的任何金属，并且X可为任何卤素；
M2CO3，其中M2可为氧化态+2的任何金属；
氯化锌氨；
SiO2；和
生石灰，
所述液体部分包括：
至少一种C1至C6羧酸，或所述羧酸的至少一种酸酐，或其至少一种酯或酰胺；
甲基纤维素；
甲醛或其商用溶液-福尔马林；
水。
2.根据权利要求1所述的可燃混合物，其特征在于所述混合物中所述固体物质的含量在32％w/w和46％w/w之间，并且所述液体物质的含量在54％w/w和68％w/w之间。
3.根据权利要求2所述的可燃混合物，其特征在于所述混合物中所述固体物质的含量在36％w/w和42％w/w之间，并且所述液体物质的含量在58％w/w和64％w/w之间。
4.根据权利要求2所述的可燃混合物，其特征在于所述混合物中所述固体物质的含量为39％w/w，并且所述液体物质的含量为61％w/w。
5.根据权利要求1所述的可燃混合物，其特征在于所述固体物质的组分以下述重量百分比存在：
6.根据权利要求5所述的可燃混合物，其特征在于所述固体物质的组分以下述重量百分比存在：
7.根据权利要求5所述的可燃混合物，其特征在于所述固体物质的组分以下述重量百分比存在：
8.根据权利要求1所述的可燃混合物，其特征在于所述液体物质的组分以下述重量百分比存在：
至少一种羧酸，或至少一种羧酸酸酐，或其至少一种酯或酰胺可以10％至27％的范围存在；
甲基纤维素可以20％至40％的范围存在；
甲醛或其商用溶液-福尔马林可以1％至10％的范围存在；
其余部分由水组成。
9.根据权利要求8所述的可燃混合物，其特征在于所述液体物质的组分以下述重量百分比存在：
至少一种羧酸，或至少一种羧酸酸酐，或其至少一种酯或酰胺可以5％至22％的范围存在；
甲基纤维素可以25％至35％的范围存在；
甲醛或其商用溶液-福尔马林可以3％至7％的范围存在；
其余部分由水组成。
10.根据权利要求8所述的可燃混合物，其特征在于所述液体物质的组分以下述重量百分比存在：
至少一种羧酸，或至少一种羧酸酸酐，或其至少一种酯或酰胺以17％存在；
甲基纤维素以29％存在；
甲醛或其商用溶液-福尔马林以5％存在；
其余部分由水组成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的可燃混合物，其特征在于M1和M2选自Fe(铁)、Cu(铜)和Zn(锌)，至少一种羧酸或其至少一种衍生物选自由C1至C3羧酸组成的组中，并且所述甲基纤维素选自明胶和tylose。
12.根据权利要求11所述的可燃混合物，其特征在于M1和M2为Zn，并且甲基纤维素是tylose。
13.根据权利要求1、8至10和11所述的可燃混合物，其特征在于液相存在两种羧酸：C1羧酸和C2羧酸。
14.根据权利要求1、5至7和11所述的可燃混合物，其特征在于在所述固体物质中，M1X2为ZnCl2和ZnBr2的混合物。
15.根据前述权利要求中任一项所述的可燃混合物，其特征在于其含有焦炭和乙醇作为添加剂。
16.一种燃料，其特征在于其包括根据前述权利要求中任一项所述的可燃混合物，并且密封在容器中。
17.根据权利要求16所述的燃料，其特征在于所述密封容器由聚合物材料制成。
18.根据权利要求17所述的燃料，其特征在于所述密封容器由聚氯乙烯制成。
19.根据权利要求16所述的燃料，其特征在于所述密封容器具有将所述固体物质和所述液体物质隔开的屏障，所述屏障在与液体中的酸接触时缓慢溶解并且允许所述固体物质和所述液体物质混合，从而在所述容器内逐渐生成氢气。
20.根据权利要求16所述的燃料，其特征在于所述密封容器的内部涂布有绝热体。
21.根据权利要求16所述的燃料，其特征在于所述热绝热体为焦油基粘合剂。
22.根据权利要求16所述的燃料，其特征在于所述密封聚氯乙烯容器的三分之一填充有液体物质和固体物质，其余三分之二用于接收生成的氢气。
23.一种在热电厂锅炉中产生能量的方法，其特征在于将根据权利要求16至22所述的燃料带入所述热电厂锅炉中。
24.根据权利要求23所述的在热电厂锅炉中产生能量的方法，其特征在于根据权利要求16至21所述的燃料替代多达50％的所需煤炭。
25.根据权利要求23所述的在热电厂锅炉中产生能量的方法，其特征在于根据权利要求16至21所述的燃料替代多达60％的所需煤炭。
26.根据权利要求23所述的在热电厂锅炉中产生能量的方法，其特征在于根据权利要求16至21所述的燃料替代多达70％的所需煤炭。
27.根据权利要求23所述的在热电厂锅炉中产生能量的方法，其特征在于根据权利要求16至21所述的燃料替代全部的所需煤炭。
28.根据权利要求23所述的在热电厂锅炉中产生能量的方法，其特征在于根据权利要求16至21所述的1kg燃料替代15kg褐煤或4kg至5kg焦炭。
29.根据权利要求23所述的在热电厂锅炉中产生能量的方法，其特征在于根据权利要求16至21所述的燃料可减少高达75％的CO2排放。
30.一种根据权利要求16至22所述的燃料的用途，其特征在于所述燃料在热电厂中用作煤的替代品。
31.根据权利要求30所述的燃料的用途，其特征在于所述燃料结合由于热电厂锅炉中不完全燃烧煤炭而产生的有害废气。
32.根据权利要求31所述的燃料的用途，其特征在于所述燃料结合CO2。
33.根据权利要求16至22中任一项所述的燃料的用途，其特征在于所述燃料用于在工业和中央加热炉中的产生能量。
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