RU2366690C1 - Способ использования присадок к топливу, являющихся наноразмерными сплавами, для снижения непрозрачности факела, шлакообразования, загрязнения, коррозии и выбросов в атмосферу - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу снижения непрозрачности факела, выбрасываемого в атмосферу крупномасштабными установками по сжиганию, используемыми в промышленности и коммунальном хозяйстве для получения энергии и сжигания отходов. Способ усовершенствования работы установок для сжигания, включающий стадии: сжигания углеродсодержащего топлива в установке по сжиганию; определения условий сжигания в данной установке, которые могут быть усовершенствованы путем введения специальной присадки, каковые условия устанавливают на основе расчетов, включая гидродинамические, и измерений; определения местоположения точек ввода специальной присадки в установку по сжиганию; обеспечения на основе указанных стадий режима ввода специальной присадки в установку по сжиганию в определенных точках, в результате использования которого достигается один или более эффектов, подбираемых из группы, включающей снижение непрозрачности факела, интенсификацию горения, уменьшение шлакообразования, снижение предельного кислородного индекса, уменьшение количества несгоревшего углерода, снижение коррозии и улучшение работы электростатического осадителя; в каковом способе специальная добавка содержит сплав, представленный общей формулой (Aa)n(Bb)n(Cc)n(Dd)n(…)n; где каждая заглавная буква и (…) означают металл; причем А означает модификатор горения, В означает модификатор отложений, С означает ингибитор коррозии, D означает сомодификатор горения/интенсификатор работы электростатического осадителя; где каждый нижний индекс означает показатель стехиометрического состава; причем n больше или равно нулю, и сумма всех n больше нуля; где

Description

Настоящее изобретение относится к способу снижения непрозрачности факела, выбрасываемого в атмосферу крупномасштабными установками по сжиганию, используемыми в промышленности и коммунальном хозяйстве для получения энергии и сжигания отходов. В соответствии с настоящим изобретением возможно уменьшить непрозрачность факела, а также интенсифицировать горение, и/или снизить шлакообразование, и/или уменьшить предельный кислородный индекс и/или количество несгоревшего углерода, и/или снизить коррозию, и/или улучшить работу электростатического осадителя. В соответствии с настоящим изобретением достижение одного или более из этих результатов возможно благодаря использованию специальных присадок, вводимых в установку для сжигания.

Уровень техники

При сжигании углеродсодержащего топлива, такого как тяжелое дизельное топливо, угли, нефтяной кокс, бытовые и промышленные отходы, обычно образуется выходящий из дымовой трубы факел с различной непрозрачностью - от низкой до высокой. Кроме того, при сжигании такого топлива могут образовываться шлак, вызывающие коррозию кислоты и твердые частицы с высоким содержанием углерода, что по отдельности или в сочетании может отрицательно влиять на производительность котельных установок и представлять угрозу для здоровья и состояния окружающей среды.

Уже были сделаны попытки решить проблемы шлакообразования и коррозии путем введения в установку по сжиганию различных химикатов, таких как оксид или гидроксид магния. Гидроксид магния может выдерживать высокую температуру в топке и вступать в реакцию с образующими отложения соединениями, повышая температуру плавления золы и/или изменяя структуру образующихся отложений. К сожалению, добавление химикатов до сих пор было дорогим из-за того, что они расходовались не полностью и по большей части просто переходили в отходы, а некоторые взаимодействовали с горячей золой, что, однако, не создавало других проблем. Решению указанных задач посвящены патенты US №5740745, US №5894806 и US №7162960, где для непосредственного воздействия на прогнозируемое или наблюдаемое явление шлакообразования и/или коррозии на одной или более стадии вводят химикаты.

Известно множество форм металлосодержащих присадок к топливу, начиная с гомогенных растворов в водной или углеводородной среде различных носителей, либо кластеров гетерогенных частиц до видимых частиц, изготовленных в форме суспензии. В границах этого диапазона располагается область наночастиц, обычно определяемых как металлические частицы, размер которых больше размера кластеров, но меньше 100 нм. Во всех известных случаях использования таких металлосодержащих присадок их вводят в топливо/в топку/в дымовой газ в виде отдельных составов металлосодержащих присадок или смесей различных металлов.

Использование металлов в установках по сжиганию в настоящее время основывается на химизме, определяемом каждым конкретным металлом, реакционная способность которого зависит от его уникальной орбитальной и электронной конфигурации. Это означает, что присадки, изготовленные в виде смесей металлов, в ходе сжигания топлива оказывают действие, складывающееся из действий всех металлов независимо друг от друга. Фактически физика процессов горения делает минимальной вероятность того, что атомы различных металлов, входящих в смесевую присадку, окажутся в одной и той же и/или нужной, и/или должной, и/или предпочтительной позиции относительно компонентов сжигаемого топлива с тем, чтобы их действие было согласованным, как действие единого целого.

Большинство металлосодержащих присадок, предложенных в последние годы, являются наночастицами, так как наночастицы обладают уникальными отношением площади поверхности к объему и количеством и формой активных центров. Следует ожидать наличия заинтересованности в получении смесевых металлосодержащих наноприсадок, в которых каждый металл может выполнять определенные функции.

Установки по сжиганию углеводородного топлива характеризуются различной степенью неэффективности горения, определяемой свойствами топлива, конструкцией установки, составом смеси воздух/топливо, временем пребывания загрузочной дозы топлива/воздуха в зоне горения, интенсивностью смешивания топлива/воздуха. Эти факторы делают сжигание неполным. В различных вариантах решения этих проблем с точки зрения усовершенствования топлива обычно предлагалось некое «чистое топливо», выбор которого основывался на заранее определенных критериях, или просто использование присадок.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на усовершенствование работы установок по сжиганию путем использования присадок, являющихся сплавами металлов.

В одном из вариантов способ усовершенствования работы установок по сжиганию включает стадии сжигания углеродсодержащего топлива в установке по сжиганию и определения условий сжигания в данной установке, которые могут быть усовершенствованы путем введения специальной присадки. Условия устанавливают на основе измерений и расчетов, включая гидродинамические. Данный способ, кроме того, включает определение местоположения точек ввода специальной присадки в установку по сжиганию. Основанный на указанных стадиях способ далее включает обеспечение режима введения специальной присадки в установку по сжиганию в определенных точках, в результате использования которого достигается один или более эффектов, подбираемых из группы, включающей снижение непрозрачности факела, интенсификацию горения, уменьшение шлакообразования, снижение предельного кислородного индекса, уменьшение количества несгоревшего углерода, снижение коррозии и улучшение работы электростатического осадителя. Специальная добавка содержит сплав, состоящий, по меньшей мере, из двух различных металлов.

Подробное описание

Настоящее изобретение относится к способу снижения непрозрачности факела, а также интенсификации горения и/или снижения шлакообразования и/или коррозии, в крупномасштабных установках по сжиганию, используемых в промышленности и коммунальном хозяйстве для получения энергии и сжигания отходов. Нижеследующее описание поясняет настоящее изобретение со ссылкой на котельную энергоустановку, работающую на тяжелом дизельном топливе (например, №6). Однако следует понимать, что данное изобретение применимо к любой другой установке по сжиганию, работающей на любом другом углеродсодержащем топливе и подверженной появлению проблем, на решение которых направлено настоящее изобретение. Может быть использовано такое углеродсодержащее топливо, как мазут, газ, уголь, отходы, включая бытовые и промышленные, нефтешлам и т.п., причем данный перечень не носит ограничительный характер.

В целом, в результате сжигания углеродсодержащего топлива, такого как тяжелое дизельное топливо, уголь и бытовые и промышленные отходы, образуются дымовые газы, характеризующиеся значительной степенью непрозрачности, шлак, коррозионно-активные кислоты, что по отдельности или в сочетании может отрицательно влиять на производительность котельных установок и их приемлемость для общества. Настоящее изобретение направлено на решение указанных проблем путем, который является экономически целесообразным и неожиданно эффективным. Настоящее изобретение обеспечивает усовершенствованный способ улучшения работы установок по сжиганию. В данном способе важно определить условия сжигания в установке, которые влияют на параметры факела. Настоящее изобретение может быть применено только для обработки факела или одновременно с воздействием на один или более из следующих параметров и явлений: предельный кислородный индекс, количество несгоревшего углерода, шлакообразование и коррозия в отсутствие обработки.

Настоящий способ сопряжен со сжиганием углеродсодержащего топлива с катализатором горения или без него и введением специальной присадки в зонах наличия проблем или местах, где от данной присадки будет больше всего пользы. Для осуществления последней из упомянутых стадий необходимо установить точки введения присадки в установку по сжиганию, включая стенку топки, с целью управления параметрами факела. Таким образом, реализация настоящего изобретения может быть облегчена путем использования численных гидродинамических моделей или измерений, как описано в US №5740745, US №5894806 и US №7162960. Помимо особо указанных приемов, специалисты в данной области смогут найти другие способы эффективного обнаружения проблемных зон и на этом основании определить наилучшее расположение точек для введения химикатов. В данном документе не воспроизводятся идеи, содержащиеся в этих патентах, которые, однако, включаются во всей полноте в настоящее описание с целью пояснения приемов, эффективных в контексте настоящего изобретения.

Настоящее изобретение направлено на установки по сжиганию в целом. Установки по сжиганию могут включать множество секций, в том числе, вообще говоря, топку и устройство последующей обработки выбросов. Топка обычно включает камеру сгорания и систему теплообмена. Устройство последующей обработки выбросов может включать восстановительный катализатор, и/или электростатический осадитель, и/или другие узлы регулирования выбросов.

Для целевого введения специальной присадки необходимо установить расположение точек ее ввода. По завершении этой процедуры специальную присадку вводят, например, в форме спрея. Капли спрея, желательно, имеют размер, соответствующий диапазону эффективных размеров, и двигаются с подходящей скоростью в нужном направлении; эти параметры под силу определить специалистам в данной области. Капли взаимодействуют с дымовым газом, испаряются со скоростью, которая зависит от их размера и траектории и температуры среды вдоль этой траектории. При должной форме распыления достигается высокая эффективность распределения химиката.

В соответствии с указанными выше патентными документами часто используемой моделью распыления является модель PSI-Cell, описывающая испарение и движение капель и пригодная для итеративных подходов вычислительной гидродинамики стационарных состояний. В соответствии с моделью PSI-Cell для прогнозирования траекторий капель и скорости испарения исходя из баланса масс, баланса количества движения и баланса энергии используют данные о свойствах газа, полученные в результате расчета газодинамических параметров. Затем величины изменения количества движения, теплоты и массы капель становятся основой для следующей итерации расчета газодинамических параметров, пока после достаточного числа итераций гидравлические свойства и траектории частиц не объединяются в установившееся решение. Спрей представляют как серию отдельных, исходящих из центральной точки капель с разными начальными скоростями и размерами.

Делают вывод о корреляции между углом траектории капли и распределением размеров или массового расхода и на основании размера капель и массовой скорости потока под каждым углом определяют частоту капель. В контексте настоящего изобретения данная модель может также использоваться для прогнозирования поведения многокомпонентных капель. Уравнения баланса силы, массы и энергии дополняют расчетами мгновенного испарения, дающими мгновенную скорость, размер капель, температуру и химический состав капли на протяжении ее существования. Также учитывают вклад распыленного потока по количеству движения, массе и энергии. Корреляцию размера капель, угла распыления, распределения размеров капель в потоке и скорости капель определяют при помощи лабораторных измерений с использованием метода рассеяния лазерного излучения и метода Допплера. Были определены и используются в численных моделях вычислительной гидродинамики параметры множества типов сопел в различных рабочих условиях. При оптимальном режиме работы эффективность химиката увеличивается, а вероятность непосредственного столкновения капель с поверхностями теплообменников и другого оборудования значительно снижается. Обычно, величина среднего размера капель лежит в диапазоне от 20 до 1000 мкм, наиболее типично в диапазоне от примерно 100 до 600 мкм.

В одном из предпочтительных вариантов расположения инжекторов для ввода активных присадок с целью снижения шлакообразования используется многоуровневый ввод, позволяющий оптимизировать форму распыления и гарантировать точное попадание присадки в нужную точку. Однако настоящее изобретение может быть реализовано в пределах отдельной зоны, например в верхней топке, где это позволяют сделать условия или вынуждают сделать физические ограничения. Обычно тем не менее является предпочтительным использовать многостадийный ввод или вводить одну присадку в топливо, а другую или эту же - в верхнюю топку. Благодаря этому становится возможным вводить одновременно различные составы или вводить составы в разных точках или при помощи различных инжекторов, следуя колебаниям температуры, которые зависят от изменения загрузки.

Общее количество присадки, вводимой в газообразные продукты сгорания во всех точках, должно быть достаточно для достижения снижения непрозрачности факела, и/или коррозии, и/или скорости накопления шлака, и/или частоты очистки, и/или улучшения работы электростатического осадителя. Накопление шлака и/или загрязнение вызывает увеличение перепада давления и ухудшение теплопередачи в топке и/или на конвективных поверхностях нагрева котла (например, в парогенерирующем трубном пучке). Для управления указанными параметрами длительное время или при высоком расходе для уменьшения уже образовавшихся шлаковых отложений можно изменять скорость подачи.

Явным преимуществом настоящего изобретения является возможность управления параметрами факела одновременно с воздействием на коррозию, шлакообразование, величину предельного кислородного индекса, количество несгоревшего углерода и/или SO₃. Во многих случаях общий эффект является синергетическим и позволяет сэкономить средства и/или повысить эффективность, что выражается через снижение температуры в дымовой трубе, уменьшение загрязнения поверхностей воздухонагревателей, снижение коррозии воздухонагревателей и воздуховодов, снижение избытка О₂, уменьшение загрязнения топочных экранов, что приводит к снижению температуры на выходе из топки и уменьшению загрязнения теплопередающих конвективных поверхностей нагрева котла.

На способ, являющийся объектом настоящего изобретения, можно взглянуть с точки зрения системного анализа. В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения, направленного на внутритопочную обработку, эффективность целевого впрыска в топку, введения в топливо и введения в топку химикатов, воздействующих на шлакообразование и/или коррозию и/или параметры факела, определяется как эффективность целевого впрыска в топку, введения в топливо и введения в топку катализаторов горения. Затем определяют эффективность различных сочетаний указанных видов обработки и режим обработки, включающий один или более из них. Предпочтительные режимы обработки включают, по меньшей мере, два, а предпочтительно три указанных вида обработки. В каждом случае выбор режима может заключаться в любом способе оценки, автоматизированном или нет, либо использовании методик, содержащихся в упомянутых выше патентах. Кроме того, могут быть использованы прямые или дистанционные измерения во время работы или простоя. При этом основным фактором и отличием от известного уровня техники является то, что целевой впрыск оценивается наряду с нецелевым вводом, особенно в сочетании с катализаторами горения и химикатами, воздействующими на шлакообразование, и/или коррозию, и/или параметры факела. Поскольку также снижается предельный кислородный индекс, количество несгоревшего углерода, шлакообразование и/или коррозия, то повышается полнота использования химикатов и облегчается техническое обслуживание котла.

В одном из вариантов осуществления настоящее изобретение относится к составу специальной присадки, включающей сплав двух или более металлов. Эта присадка может входить в состав топлива. Иначе, эта присадка может быть введена в установку по сжиганию. Как было описано в настоящем документе, сплав химически отличен от любого из составляющих его металлов, поскольку его спектр, полученный при рентгеноструктурном анализе, иной, чем спектры отдельных составляющих его металлов. Другими словами, это не смесь различных металлов, а их сплав.

Основными факторами, определяющими активность металлов в установках по сжиганию в отношении их эффективности, выбросов, образования отложений/шлака/загрязнения и коррозии, являются главным образом тип, форма, размер, электронная конфигурация и энергетические уровни низших незанятых молекулярных орбиталей (МО) и высших занятых молекулярных орбиталей металла, которые доступны для взаимодействия с аналогичными МО заданных компонентов субстрата при условиях, когда эти компоненты претерпевают химические и физические изменения. Электронная конфигурация этих низших незанятых и высших занятых МО уникальна для каждого металла и определяет присущую веществам физическую/химическую индивидуальность, позволяющую, например, отличить Mn от Pt или Mn от Al и т.д. Электронная конфигурация этих МО определяет окислительно-восстановительные свойства этих элементов, а их регибридизация при сплавлении позволяет точно регулировать соответствующие характеристики.

Описываемый в настоящем документе сплав является результатом соединения атомов различных металлов. Это означает, что низшие незанятые и высшие занятые МО сплава являются гибридизированными МО соответствующих атомов металлов. Следовательно, сплав, предназначенный для использования в составе присадки к топливу, обеспечивает достижение всеми содержащимися в частице сплава металлами одного и того же участка горения веществ топлива и действует как единое целое, но в модифицированной форме. Преимущества использования сплава с указанной целью проистекают из уникальности модификаций, происходящих с низшими незанятыми и высшими занятыми МО различных составляющих сплав металлов при их объединении в низшие незанятые и высшие занятые МО сплава. Можно ожидать, что количество и форма активных центров в сплаве относительно количества и формы активных центров в эквивалентной, но не являющейся сплавом смеси, также значительно изменятся. Достичь такого уникального соединения орбиталей и электронов, как происходит на низших незанятых и высших занятых МО сплавов, путем простого смешения частиц соответствующих металлов в нужных пропорциях невозможно. Настоящее описание посвящено сплавам, присутствующим в составах многофункционального назначения, например, улучшающих горение, снижающих выбросы и преобразующих отложения.

В настоящем документе раскрывается состав, включающий сплав, представленный следующей общей формулой (A_a)_n(B_b)_n(C_c)_n(D_d)_n(…)_n; где каждая заглавная буква и (…) означает металл, причем А означает модификатор горения, В означает модификатор отложений, С означает ингибитор коррозии, D означает сомодификатор горения/интенсификатор работы электростатического осадителя; каждый нижний индекс означает показатель стехиометрического состава, причем n больше или равно нулю, и сумма всех n больше нуля; сплав включает, по меньшей мере, два различных металла; если металл является церием, то показатель стехиометрического состава меньше чем примерно 0,7. В одном из вариантов, под (…) понимается, по меньшей мере, один метал, отличный от обозначенных как А, В, С и D с соответствующим стехиометрическим коэффициентом.

В приведенной выше формуле каждая заглавная буква может означать металл. Этот металл может быть подобран из группы, состоящей из металлоидов, переходных металлов и ионов металлов. В одном из вариантов, каждая заглавная буква может быть той же или другой. Например, и В, и С могут означать магний (Mg).

Источником металла может быть, кроме прочего, водный раствор его соли, карбонилы, оксиды, металлоорганические соединения и порошки нольвалентного металла. Водные растворы солей могут включать, например, гидроксиды, нитраты, ацетаты, галогениды, фосфаты, фосфонаты, фосфиты, карбоксилаты и карбонаты.

Как было описано выше, А может представлять собой модификатор горения. В одном из вариантов, А означает металл, подбираемый из группы, состоящей из Mn, Fe, Co, Cu, Ca, Rh, Pd, Pt, Ru, Ir, Ag, Au и Ce.

Как было описано выше, В может представлять собой модификатор отложений. В одном из вариантов, В означает металл, подбираемый из группы, состоящей из Mg, Al, Si, Sc, Ti, Zn, Sr, Y, Zr, Mo, In, Sn, Ba, La, Hf, Ta, W, Re, Yb, Lu, Cu и Ce.

Как было описано выше, С может представлять собой ингибитор коррозии. В одном из вариантов, С означает металл, подбираемый из группы, состоящей из Mg, Ca, Sr, Ba, Mn, Cu, Zn и Cr.

Как было описано выше, D может представлять собой сомодификатор горения/интенсификатор работы электростатического осадителя. В одном из вариантов, D означает металл, подбираемый из группы, состоящей из Li, Na, K, Rb, Cs и Mn.

Еще в одном варианте, А, В и/или D могут являться модификатором выбросов и представлять собой металлы из групп, описанных выше.

Буква в нижнем индексе приведенной выше формулы означает показатель стехиометрического состава. Например, для сплава A_aB_b, такого как Fe_0,80Ce_0,20, описываемый в настоящем документе, a=0,80 и b=0,20. В одном из вариантов, если металл в описываемом сплаве является церием (Ce), то показатель стехиометрического состава меньше чем приблизительно 0,7, например меньше чем приблизительно 0,5 и, как еще один пример, меньше чем приблизительно 0,3.

В одном из вариантов, описываемый сплав может являться наносплавом. Этот наносплав может характеризоваться средним размером частиц от приблизительно 1 до приблизительно 100 нм, например от приблизительно 5 до приблизительно 75 нм и, как еще один пример, от приблизительно 10 до приблизительно 35 нм.

Данный сплав может быть монофункциональным, т.е. способным выполнять только одну из следующих функций, например: модификация горения (металл группы А), преобразование отложений (металл группы В), ингибирование коррозии (металл группы С) или сомодификация горения/улучшение работы электростатического осадителя (металл группы D).

Указанный сплав также может быть бифункциональным, т.е. способным выполнять любые две из перечисленных выше функций. В одном из вариантов, этот сплав может быть трифункциональным (т.е. способным выполнять любые три из перечисленных выше функций); тетрафункциональным (т.е. способным выполнять любые четыре из перечисленных выше функций); полифункциональным (т.е. способным выполнять любое количество из перечисленных выше функций, а также функции, которые указаны не были).

В одном из вариантов, описываемый сплав может содержать металл, являющийся полифункциональным, т.е. способным выполнять, по меньшей мере, две из перечисленных выше функций. Например, как будет описано ниже, магний может осуществлять преобразование отложений (металл группы В) и ингибирование коррозии (металл группы С). Еще одним примером является сплав, содержащий Cu₁₀Mg₉₀ - возможный биметаллический сплав, имеющий полифункциональные свойства, поскольку медь действует как модификатор горения, модификатор отложений и ингибитор коррозии, а магний - как модификатор отложений и ингибитор коррозии.

В одном из вариантов, данный сплав может являться наносплавом и при этом быть биметаллическим (т.е. представлять собой любое сочетание двух различных металлов из одной и той же или разных функциональных групп, например A_aB_b или A_aA'_a'); триметаллическим (т.е. представлять собой любое сочетание трех различных металлов из одной и той же или разных функциональных групп, например A_aB_bC_c или A_aA'_a'A''_a'' или A_aA'_a'B_b); тетраметаллическим (т.е. представлять собой любое сочетание четырех различных металлов из одной и той же или разных функциональных групп, например A_aB_bC_cD_d или A_aA'_a'A''_a''A'''_a''' или A_aB_bB'_b'C_c); полиметаллическим (т.е. представлять собой любое сочетание двух или более металлов из одной и той же или разных функциональных групп, например A_aB_bC_cD_dE_e… и т.д. или A_aB_bB'_b'C_cD_dD'_d'E_e). Этот сплав может содержать, по меньшей мере, два различных металла, однако наличие более чем двух металлов в каждом сплаве может быть продиктовано требованиями, имеющимися в случае каждой конкретной установки по сжиганию и/или устройства последующей обработки выбросов.

В одном из вариантов, состав может содержать сплав, подбираемый из группы, включающей биметаллический, триметаллический, тетраметаллический и полиметаллический сплавы, где сплав подбирается из группы, включающей монофункциональный, бифункциональный, трифункциональный, тетрафункциональный и полифункциональный сплавы.

Модифицирующие горение составы из монофункциональных наносплавов могут быть изготовлены путем любого сочетания металлов группы А, как видно из следующих, не носящих ограничительного характера примеров:

Биметаллические (A_aA'_a'): Mn/Fe, Mn/Co, Mn/Cu, Mn/Ca, Mn/Rh, Mn/Pd, Mn/Pt, Mn/Ru, Mn/Ce, Fe/Co, Fe/Cu, Fe/Ca, Fe/Rh, Fe/Pd, Fe/Pt, Fe/Ru, Fe/Ce, Cu/Co, Cu/Ca, Cu/Rh, CuPd, Cu/Pt, Cu/Ce и т.д.;

Триметаллические(A_aA'_a'A''_a''): Mn/Fe/Co, Mn/Fe/Ca;

Полиметаллические (A_aA'_a'A''_a''A'''_a'''… и т.д.): Mn/Fe/Co/Cu/… и т.д., Mn/Ca/Rh/Pt/… и т.д.

Подобные составы из монофункциональных биметаллических и полиметаллических наносплавов могут содержать металлы групп В, С и D соответственно и предназначаться конкретно для преобразования отложений (В), снижения коррозии (С) и совместной модификации горения и улучшения работы электростатического осадителя (D). Электростатические осадители входят в устройство последующей обработки дымовых газов установок по сжиганию, работающих при атмосферном давлении (со стационарными горелками), используемых в котельных установках энергосистем общего пользования, промышленных энергосистем и заводов по сжиганию отходов. Электростатический осадитель представляет собой набор заряженных электродных пластин, расположенных в потоке отходящих продуктов горения и в результате действия электростатических сил улавливающих тонкодисперсные твердые частицы, которые осаждаются на пластинах и не выбрасываются в окружающую среду. Известно, что металлы группы D, перечисленные выше, способны, в этом аспекте, улучшать и поддерживать оптимальные характеристики работы электростатического осадителя.

Составы из полифункциональных сплавов могут быть образованы атомами двух или более различных металлов из групп А, В, С и D, как видно из следующих примеров, не носящих ограничительного характера:

Бифункциональные (например, A_a/B_b, A_a/C_c, A_a/D_d, B_b/C_c, B_b/D_d и C_c/D_d): Mn/Mg, Mn/Al, Mn/Cu, Mn/Mo, Mn/Ti и т.д.;

Трифункциональные (например, A_a/B_b/C_c, A_a/C_c/D_d или B_b/C_c/D_d): Mn/Al/Mg, Fe/Mg/Cu, Cu/Si/Mg и т.д.;

Тетрафункциональные (A_a/B_b/C_c/D_d): Mn/Mo/Mg/Na, Fe/Al/Mg/Li и т.д.

Наносплавы такого состава, как A_aB_b, также могут непосредственно воздействовать на выбросы. Путем оптимизации горения и минимизации отложений в установках по сжиганию/устройствах последующей обработки выбросов можно достигнуть снижения выбросов веществ, загрязняющих окружающую среду.

Подобные комбинации металлов могут быть предпочтительными, например, для A_a/C_c, A_a/D_d, B_b/C_c, B_b/D_d и C_c/D_d соответственно, предназначаемых для воздействия на процесс горения/коррозию (A_a/C_c), процесс горения/процесс горения и работу электростатического осадителя (A_a/D_d), отложения/коррозию (B_b/C_c), отложения/процесс горения и работу электростатического осадителя (B_b/D_d), коррозию/процесс горения и работу электростатического осадителя (C_c/D_d).

Способы получения указанных сплавов изложены в заявке на патент США № 11/620773, поданной 8 января 2007 г. и включаемой в описание настоящего изобретения путем ссылки во всей своей полноте.

Из описываемых сплавов могут быть составлены присадки, имеющие любую форму, включая, кроме прочего, кристаллическую (порошок) или жидкую (водные растворы, растворы в углеводородных растворителях или эмульсии). Эти жидкости могут быть трансформируемыми в форму водно-углеводородных эмульсий при помощи соответствующих растворителей и сочетаний эмульгаторов и поверхностно-активных веществ.

В одном из вариантов указанные сплавы могут иметь покрытие или быть обработанными иначе с использованием соответствующих углеводородов, что делает их растворимыми в топливе. Покрытие сплава может препятствовать его агломерации. С этой целью сплав может быть измельчен в органическом растворителе в присутствии покровного вещества, которое представляет собой органическую кислоту, ангидрид, эфир или люисовское основание. Было обнаружено, что в случае нанесения покрытия на месте возможно существенно усовершенствовать способ нанесения покрытия. Кроме того, получаемый продукт часто можно использовать непосредственно без осуществления промежуточной стадии. Так, в соответствии с некоторыми способами нанесения покрытий перед диспергированием в углеводородном растворителе необходимо подвергнуть сплав с нанесенным на него покрытием сушке.

В качестве покровного вещества пригодны органические кислоты, ангидриды, эфиры или льюисовские основания. Покровное вещество может представлять собой, например, карбоновую кислоту или органический ангидрид, обычно содержащие, по меньшей мере, около 8 атомов углерода, например от примерно 10 до примерно 25 атомов углерода, например от примерно 12 до примерно 18 атомов углерода, как в стеариновой кислоте. Следует учитывать, что углеродная цепь может быть насыщенной или ненасыщенной, например, как в олефинах, более конкретно, как в олеиновой кислоте. Те же замечания относятся и к пригодным для использования ангидридам. Примером ангидрида является додецилянтарный ангидрид. Другие пригодные для использования в способе, являющемся объектом настоящего изобретения, органические кислоты, ангидриды и эфиры включают производные фосфорной кислоты и сульфокислоты. Эфиры обычно представляют собой алифатические сложные эфиры, например алкиловые эфиры, в которых и цепь кислоты, и цепь спирта содержат от примерно 4 до примерно 18 атомов углерода.

Другие пригодные для использования покровные или образующие верхний слой вещества включают льюисовские основания, в которых имеется алифатическая цепь, содержащая, по меньшей мере, около 8 атомов углерода, в том числе, меркапто-соединения, фосфины, фосфиноксиды и амины, а также простые эфиры с длинной цепью, диолы, сложные эфиры и альдегиды. Также могут быть использованы полимерные материалы, включая дендримеры, при условии, что они имеют цепь с гидрофобными свойствами из, по меньшей мере, 8 атомов углерода с одной или более группой льюисовского основания, а также смеси из двух или более таких кислот и/или льюисовских оснований.

К типичным полярным льюисовским основаниям относятся триалкилфосфиноксиды P(R³)₃O, например триоктилфосфиноксид, триалкилфосфины P(R³)₃, амины N(R³)₂, тиосоединения S(R³)₂ и карбоксильные кислоты или сложные эфиры R³COOR⁴ и их смеси, где каждая группа R³, которая может быть одной и той же группой или различными группами, подбирается из алкильных групп С_1-24, алкенильных групп С_2-24, алкоксигрупп формулы -О(С_1-24алкил), арильных групп и гетероциклических групп при условии, что, по меньшей мере, одна из групп R³ в каждой молекуле не является водородом; и где R⁴ может быть водородом и алкильной группой С_1-24, например водородом и алкильной группой С_1-14. Типичные примеры алкильных групп С_1-24 и С_1-4, алкенильных групп С_2-24, арильных групп и гетероциклических групп описываются ниже.

В качестве полярного льюисовского основания также может быть использован полимер, включая дендримеры, содержащий электроно-избыточную группу, такой как полимер, содержащий одну или более из групп P(R³)₃O, P(R³)₃, N(R³)₂, S(R³)₂ или R³COOR⁴, где R³ и R⁴ те же, что и описанные выше; или смесь льюисовских оснований, такую как смесь двух или более соединений или полимеров, упомянутых выше. Когда присадка предназначается для использования в установке по сжиганию, в которой побочные продукты горения воздействуют на огнеупорную футеровку топки, разрушая ее, то веществом, образующим покрытие наносплава, должен быть содержащий фосфор лиганд. Примеры таких лигандов входят в приведенный выше перечень. Фосфорсодержащие продукты горения образуют на огнеупорной футеровке топки стеклообразный защитный слой.

Нанесение покрытия может быть осуществлено в органическом растворителе. Например, растворитель может быть неполярным, а также, например, негидрофильным. Он может представлять собой алифатический или ароматический растворитель. Типичные примеры растворителей включают толуол, ксилол, бензин, дизельное топливо, а также более тяжелое нефтяное топливо. Естественно, что используемый органический растворитель должен быть подобран так, чтобы он был совместим с предполагаемым конечным применением сплава с покрытием. Наличия воды следует избегать; использование в качестве покровного вещества ангидрида облегчает устранение присутствующей в любой форме воды.

Нанесение покрытия включает измельчение сплава так, чтобы предотвратить образование агломератов. Следует выбрать такой способ, который бы обеспечивал должное увлажнение сплава покровным веществом, желательно приложение некоторого давления или усилия сдвига. Способы, которые могут быть использованы с этой целью, включают высокоскоростное перемешивание (например, со скоростью, по меньшей мере, 500 об/мин) или галтовку, использование коллоидной мельницы, ультразвуковой или шаровой мельницы. Обычно, размол с использование шаровой мельницы может быть осуществлен в резервуаре, причем чем больше резервуар, тем больше шары. Например, керамические шары диаметром от 7 до 10 мм пригодны, если размол осуществляется в резервуаре объемом 1,25 л. Необходимое для этого время, конечно, зависит от природы сплава, однако обычно нужно, по меньшей мере, 4 часа. Хорошие результаты, как правило, можно получить через 24 часа размола, так что типичное время составляет от примерно 12 до примерно 36 часов.

В настоящем описании также раскрывается способ получения присадки к топливу, состоящий в обработке описанного сплава органическим соединением и растворении обработанного сплава в разбавителе. Специалистам в данной области известны различные разбавители, пригодные для получения присадки к топливу.

Под «топливом» в настоящем документе подразумеваются углеводородные топлива, такие как, кроме прочего, дизельное, топливо для реактивных двигателей, спирты, простые эфиры, керосин, малосернистое топливо, синтетическое топливо, такое как получаемое по реакции Фишера-Тропша, сжиженный нефтяной газ, флотский мазут, жидкое топливо из газа, из угля, из биомассы, топливо из высших асфальтенов, топливный мазут, топливо из угля (природного и очищенного), биотопливо из организмов, созданных методами генной инженерии, природный газ, пропан, бутан, неэтилированный автомобильный и авиационный бензин, так называемые бензины улучшенного состава, которые обычно содержат углеводороды с температурой кипения в интервале, характерном для бензина, и растворимые в топливе кислородсодержащие компоненты, такие как спирты, простые эфиры и другие применимые кислородсодержащие органические соединения. К кислородсодержащим соединениям, пригодным для использования в топливах в контексте настоящего изобретения, относятся метанол, этанол, изопропанол, трет-бутанол, смеси спиртов, метилтретбутиловый эфир, третамилметиловый эфир, этилтретбутиловый эфир и смеси простых эфиров. Кислородсодержащие соединения, если они используются, обычно присутствуют в бензине улучшенного состава в количестве менее примерно 25 об.%, например в количестве, достаточном для обеспечения содержания кислорода в топливе в целом от примерно 0,5 до примерно 5 вес.%. «Углеводородное топливо» или «топливо» в настоящем документе также означает отработанное или использованное моторное или машинное масло, которое может содержать или может не содержать молибден, бензин, флотский мазут, уголь (пыль или суспензию), сырую нефть, кубовый остаток или побочные продукты нефтепереработки, экстракты сырой нефти, опасные отходы, отходы обрезки садов, древесную щепу и опилки, сельскохозяйственные отходы, фураж, силос, пластиковые и другие органические отходы и/или побочные продукты, их смеси, их эмульсии, суспензии и дисперсии в воде, спирте или других жидкостях-носителях. Под «дизельным топливом» в настоящем документе понимается одно или более топливо, подобранное из группы, состоящей из дизельного топлива, биодизельного топлива, топлива, полученного из биодизельного, синтетического дизельного топлива и их смесей. В одном из вариантов, углеводородное топливо является в значительной степени обессеренным, что означает, что содержание в нем серы в среднем не превышает около 30 частей на миллион частей топлива.

На практике настоящее изобретение допускает значительные вариации. Следовательно, приведенное выше описание не носит ограничительного характера и не должно быть истолковано как ограничивающее настоящее изобретение частными изложенными выше примерами. Скорее то, что должно быть защищено патентом, изложено в следующей формуле изобретения и ее эквивалентах, являющихся объектом права.

Заявитель не намерен делать всеобщим достоянием любой из раскрытых вариантов осуществления изобретения, и в тех случаях, когда любые раскрытые модификации или изменения могут не соответствовать буквально объему формулы изобретения, они рассматриваются как часть настоящего изобретения согласно доктрине эквивалентов.

Claims (30)

1. Способ усовершенствования работы установок для сжигания, включающий стадии:
сжигания углеродсодержащего топлива в установке по сжиганию;
определения условий сжигания в данной установке, которые могут быть усовершенствованы путем введения специальной присадки, которые устанавливают на основе расчетов, включая гидродинамические, и измерений;
определения местоположения точек ввода специальной присадки в установку по сжиганию;
обеспечения, на основе указанных стадий, режима ввода специальной присадки в установку по сжиганию в определенных точках, в результате использования которого достигается один или более эффект, подбираемый из группы, включающей снижение непрозрачности факела, интенсификацию горения, уменьшение шлакообразования, снижение предельного кислородного индекса, уменьшение количества несгоревшего углерода, снижение коррозии и улучшение работы электростатического осадителя;
в котором специальная добавка содержит сплав, представленный следующей общей формулой (A_a)_n(B_b)_n(C_c)_n(D_d)_n(…)_n,
где каждая заглавная буква и (…) означает металл;
причем А означает модификатор горения, В означает модификатор отложений, С означает ингибитор коррозии, D означает сомодификатор горения/интенсификатор работы электростатического осадителя;
где каждый нижний индекс означает показатель стехиометрического состава;
причем n больше или равно нулю, и сумма всех n больше нуля;
где сплав включает, по меньшей мере, два различных металла;
при условии, что если металл является церием, то показатель стехиометрического состава меньше чем примерно 0,7.

2. Способ по п.1, в котором в углеродсодержащее топливо входит модификатор горения.

3. Способ по п.1, в котором в углеродсодержащее топливо входит специальная присадка.

4. Способ по п.1, в котором в установке по сжиганию имеется топка, и стадия определения условий сжигания включает определение условий сжигания в этой топке.

5. Способ по п.4, в котором специальную присадку вводят в топку.

6. Способ по п.4, в котором специальную присадку вводят в установку по сжиганию после топки.

7. Способ по п.1, в котором металл подбирают из группы, состоящей из металлоидов, переходных металлов и ионов металлов.

8. Способ по п.1, в котором А подбирают из группы, состоящей из Mn, Fe, Co, Cu, Ca, Rh, Pd, Pt, Ru, Ir, Ag, Au и Ce.

9. Способ по п.1, в котором В подбирают из группы, состоящей из Mg, Al, Si, Sc, Ti, Zn, Sr, Y, Zr, Mo, In, Sn, Ba, La, Hf, Та, W, Re, Yb, Lu, Cu и Ce.

10. Способ по п.1, в котором С подбирают из группы, состоящей из Mg, Ca, Sr, Ba, Mn, Cu, Zn и Cr.

11. Способ по п.1, в котором D подбирают из группы, состоящей из Li, Na, K, Rb, Cs и Mn.

12. Способ по п.1, в котором A, B и/или D дополнительно являются модификатором выбросов.

13. Способ по п.1, в котором указанный сплав является наноразмерным сплавом со средним размером частиц от приблизительно 1 до приблизительно 100 нм.

14. Способ по п.1, в котором указанный сплав является наноразмерным сплавом со средним размером частиц от приблизительно 5 до приблизительно 75 нм.

15. Способ по п.1, в котором указанный сплав является биметаллическим.

16. Способ по п.1, в котором указанный сплав является триметаллическим.

17. Способ по п.1, в котором указанный сплав является тетраметаллическим.

18. Способ по п.1, в котором указанный сплав является полиметаллическим.

19. Способ по п.1, в котором указанный сплав является монофункциональным.

20. Способ по п.1, в котором указанный сплав является бифункциональным.

21. Способ по п.1, в котором указанный сплав является трифункциональным.

22. Способ по п.1, в котором указанный сплав является тетрафункциональным.

23. Способ по п.1, в котором указанный сплав является полифункциональным.

24. Способ по п.1, в котором указанный сплав подбирают из группы, включающей биметаллический, триметаллический, тетраметаллический и полиметаллический сплавы; и где сплав подбирают из группы, включающей монофункциональный, бифункциональный, трифункциональный, тетрафункциональный и полифункциональный сплавы.

25. Способ по п.1, в котором указанный сплав обрабатывают органическим соединением.

26. Способ по п.25, в котором указанное органическое соединение подбирают из группы, включающей органическую карбоновую кислоту, органический ангидрид, органический эфир и льюисовское основание.

27. Способ по п.26, в котором указанные органическая карбоновая кислота и органический ангидрид содержат, по меньшей мере, 8 атомов углерода.

28. Способ по п.26, в котором указанный органический эфир является алифатическим эфиром.

29. Способ по п.26, в котором указанное льюисовское основание включает алифатическую цепь, содержащую, по меньшей мере, 8 атомов углерода.

30. Способ по п.26, в котором указанное льюисовское основание является фосфорсодержащим лигандом.