WO2011026742A1 - Ein effizienter und sauberer brennstoff für die prozessindustrie - Google Patents

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WO2011026742A1
WO2011026742A1 PCT/EP2010/062193 EP2010062193W WO2011026742A1 WO 2011026742 A1 WO2011026742 A1 WO 2011026742A1 EP 2010062193 W EP2010062193 W EP 2010062193W WO 2011026742 A1 WO2011026742 A1 WO 2011026742A1
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fuel
combustion
dtbp
dialkyl peroxide
peroxide
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PCT/EP2010/062193
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Kirti Bhushan Mishra
Klaus-Dieter Wehrstedt
Original Assignee
Bundesanstalt für Materialforschung und -Prüfung (BAM)
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • C10L1/02—Liquid carbonaceous fuels essentially based on components consisting of carbon, hydrogen, and oxygen only

Definitions

  • the present invention relates to a fuel and the use of this
  • Fuel in particular the use as fuel for the process industry.
  • combustion processes One of the main uses of combustion processes is heat generation, whether for industrial, electricity or heating purposes. Another important application of combustion processes is mobility, as currently the vast majority of vehicles are powered by internal combustion engines. In addition, combustion processes are also used to thermally recover waste or to make toxins harmless by means of combustion.
  • Combustion processes are also frequently used in the so-called process industry, including, in particular, companies in the field of glass, steel and steel
  • cement production and the suppliers of this industry are understood.
  • the process industry processes materials and materials in chemical, physical, biological or other engineering processes and processes.
  • materials and materials for example, implemented, molded, mixed or demixed, poured, pressed, etc.
  • the combustion processes used are often high-temperature processes that are used in the production of various materials.
  • the raw meal is burnt in a rotary kiln at temperatures of about 1450 ° C. to form so-called clinker.
  • temperatures of up to 2500 ° C are reached for some engineering ceramics.
  • furnaces also high temperatures are achieved. For example, temperatures of around 1500 ° C are reached in glassmaking in a glass furnace, and in metal melting furnaces the process temperatures can be even higher.
  • Combustion efficiency sought, among other things, the fuel consumption
  • the combustion behavior depends in particular on the properties of the fuel used, the atmosphere in which the combustion process takes place, the burner design and the desired heat transfer rate of the flame.
  • burners in melting furnaces of the glass or steel industry use methane jet flames, oil or coal in order to achieve the desired heat transfer by means of radiation.
  • methane jet flames oil or coal in order to achieve the desired heat transfer by means of radiation.
  • the fuel should burn faster, produce larger flames, have a higher flame temperature, and produce fewer combustion end products, such as NO x and CO.
  • hydrocarbon fuels are virtually impossible to ensure, as they burn relatively slowly under normal conditions and generate abundant soot and other emissions. Therefore, for the combustion of conventional hydrocarbon fuels, typically methods such as injecting gas jets in air or in a partially mixed state or injecting atomized oil jets in air are used. However, these methods produce large glowing flames and thus more soot. Furthermore, due to incomplete combustion, more pollutants, such as CO x and ⁇ , are generated. In addition, these methods require the addition of oxidants to improve the completeness of combustion.
  • the present invention proposes a fuel according to claim 1 and uses of the fuel according to claims 7, 10, 11, 12 and 13. Further advantageous embodiments, details, aspects and features of the present invention will become apparent from the dependent claims, the description and the accompanying drawings. In the latter show:
  • Fig. 1 measured maximum flame temperatures of di-tert-butyl peroxide and kerosene.
  • ⁇ . 2 Measured Massenabbrandraten of di-tert-butyl peroxide and kerosene as a function of the pool diameter.
  • a fuel is provided, the
  • Dialkyl peroxide comprises. Dialkyl peroxides are known, for example, from EP 0 472 819 as starting materials for polymeric peroxides. Such polymeric peroxides can be used, for example, for curing unsaturated polyester resins, for
  • the dialkyl peroxide may have the empirical formula CgHigOi, in particular, the dialkyl peroxide di-tert-butyl peroxide (DTBP)
  • DTBP dialkyl peroxide di-tert-butyl peroxide
  • Di-tert-butyl peroxide is a colorless to yellowish, highly volatile, water-insoluble and non-explosive liquid.
  • the DTBP flame is larger and purer than that of conventional hydrocarbon fuels, resulting in higher flame temperatures and larger ones
  • FIG. 1 shows a comparison of the maximum flame temperatures for pool fire of DTBP and kerosene, a conventional hydrocarbon fuel, for different pool diameters. It is under a pool fire in the
  • the DTBP pool flame reaches a temperature range above 1300 ° C, and even above 1500 ° C. Furthermore, measurements have shown that the surface radiation flux of the DTBP flame is more than twice the surface radiant flux of a hydrocarbon flame.
  • High temperature processes occurring in this high temperature range include, for example, the melting of glass and / or metals, cement production, and ceramic production.
  • DTBP burns almost ten times faster than a conventional hydrocarbon fuel.
  • Fig. 2 is a comparison of
  • Mass burnup rates for pool fire of DTBP and kerosene plotted logarithmically for different pool diameters are almost an order of magnitude higher than those of kerosene. Furthermore, the vary
  • dialkyl peroxides in particular DTBP, in the above-described industrial high-temperature processes serve as strong combustion accelerators due to the active oxygen present in the molecule. In this way, the pollutant and soot content of the combustion products can be greatly reduced. This also reduces the cost of such facilities, since the external supply of an oxidant, such as air, oxygen or oxygen-enriched air, can be reduced or even omitted, so that can be dispensed with attachments to the plants.
  • the dialkyl peroxides described above as fuel, in particular DTBP can also be present in a mixture with other fuels, in particular other liquid fuels.
  • the dialkyl peroxide may be provided as a fuel additive at a level of from 0.1% to 80% by weight of the total weight of the fuel.
  • the dialkyl peroxide may be provided at a level of from 0.1% to 20% by weight of the total weight of the fuel.
  • the exact proportion in the fuel depends on the specific use as long as combustion of the additive can be done safely. Thus, in some cases, a small amount may be sufficient to initiate the desired combustion behavior in the overall system, while in other cases a high level is required.
  • the fuel may consist entirely of a dialkyl peroxide, in particular of DTBP.

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Abstract

Ein Brennstoff, umfassend ein Dialkylperoxid, wird beschrieben. Das Dialkylperoxid kann die Summenformel C8H18O2 aufweisen und insbesondere Di-tert-butylperoxid sein.

Description

Ein effizienter und sauberer Brennstoff für die Prozessindustrie
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoff sowie die Verwendung dieses
Brennstoffs, insbesondere die Verwendung als Brennstoff für die Prozeßindustrie.
Die Verbrennung stellt einen der wichtigsten chemischen Prozesse dar, den die Menschheit nutzt. Im Laufe der Zeit sind daher für die verschiedenen Anwendungen von
Verbrennungsprozessen jeweils unterschiedliche Brennstoffe gefunden oder entwickelt worden, die in ihren Eigenschaften für die spezifischen Anwendungen optimiert sind.
Eine der Hauptnutzungen von Verbrennungsprozessen ist die Wärmeerzeugung, sei es für die industrielle Nutzung, die Elektrizitätserzeugung oder für Heizzwecke. Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich von Verbrennungsprozessen ist die Mobilität, da zur Zeit die übergroße Mehrzahl aller Fahrzeuge mit Hilfe von Verbrennungskraftmaschinen angetrieben werden. Darüberhinaus werden Verbrennungsprozesse auch genutzt, um Abfallstoffe thermisch zu verwerten oder Giftstoffe mittels Verbrennung unschädlich zu machen.
Häufige Anwendung finden Verbrennungsprozesse auch in der sogenannten Prozeßindustrie, worunter insbesondere auch Unternehmen aus dem Bereich der Glas-, Stahl- und
Zementherstellung und die Zulieferer dieser Industrie verstanden werden. Typischerweise verarbeitet die Prozeßindustrie Stoffe und Materialien in chemischen, physikalischen, biologischen oder anderen technischen Prozessen und Verfahren. Dabei werden Stoffe und Materialien beispielsweise umgesetzt, geformt, vermischt oder entmischt, gegossen, gepreßt usw. Die dabei verwendeten Verbrennungsprozesse sind häufig Hochtemperaturprozesse, die bei der Herstellung verschiedenster Materialien eingesetzt werden. So wird beispielsweise bei der Zementherstellung das Rohmehl in einem Drehrohrofen bei Temperaturen von ca. 1450°C zu sogenanntem Klinker gebrannt. Bei den Sinterprozessen der Keramikherstellung werden für manche technischen Keramiken Temperaturen bis zu 2500°C erreicht. In Schmelzöfen werden ebenfalls hohe Temperaturen erzielt. So werden bei der Glasherstellung im Glasofen Temperaturen um die 1500°C erreicht, bei Metallschmelzöfen können die Prozeßtemperaturen noch höher liegen.
Allen Verbrennungsprozessen ist gemein, daß die dabei entstehenden Emissionen, insbesondere NOx, CO und Ruß, unter gesundheitlichen sowie Umweltaspekten bedenklich sind. Es ist daher wünschenswert, Brennstoffe bzw. Verbrennungsprozesse bereitzustellen, bei denen solche Emissionen reduziert sind. Weiterhin wird eine gesteigerte
Verbrennungseffizienz angestrebt, um unter anderem den Brennstoffverbrauch zu
vermindern.
Das Brennverhalten hängt dabei insbesondere ab von den Eigenschaften des verwendeten Brennstoffs, der Atmosphäre, in der der Verbrennungsvorgang abläuft, dem Brennerdesign sowie der gewünschten Wärmeübertragungsrate der Flamme. So verwenden beispielsweise Brenner in Schmelzöfen der Glas- oder Stahlindustrie Methan- Jetflammen, Öl oder Kohle, um den gewünschten Wärmeübertrag mittels Strahlung zu erreichen. Um hier einen
vergleichsweise höheren Übertrag zu erzielen, sollte der Brennstoff schneller verbrennen, größere Flammen erzeugen, eine höhere Flammentemperatur aufweisen sowie weniger Verbrennungsendprodukte, wie etwa NOx und CO, hervorbringen.
Die Erreichung dieser und anderer Ziele ist mit der Verbrennung herkömmlicher
Kohlenwasserstoff-Brennstoffe unter Normalbedingungen praktisch nicht zu gewährleisten, da diese unter Normalbedingungen relativ langsam verbrennen und reichlich Ruß und andere Emissionen erzeugen. Daher werden für die Verbrennung herkömmlicher Kohlenwasserstoff- Brennstoffe typischerweise Verfahren wie das Injizieren von Gasjets in Luft bzw. in einem teilgemischten Zustand oder das Injizieren atomisierter Öljets in Luft angewandt. Diese Verfahren erzeugen jedoch große leuchtende Flammen und somit mehr Ruß. Weiterhin werden aufgrund der unvollständigen Verbrennung auch mehr Schadstoffe, wie etwa COx und ΝΟχ, erzeugt. Hinzu tritt, daß diese Verfahren den Zusatz von Oxidanten erfordern, um die Vollständigkeit der Verbrennung zu verbessern.
Im Hinblick auf das oben Gesagte, schlägt die vorliegende Erfindung einen Brennstoff gemäß Anspruch 1 sowie Verwendungen des Brennstoffs gemäß den Ansprüchen 7, 10, 11, 12 und 13 vor. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Einzelheiten, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der beigefügten Zeichnung. In letzterer zeigen:
Fig. 1 gemessene maximale Flammentemperaturen von Di-tert-butylperoxid und Kerosin. \. 2 gemessene Massenabbrandraten von Di-tert-butylperoxid und Kerosin in Abhängigkeit vom Pooldurchmesser.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Brennstoff bereitgestellt, der ein
Dialkylperoxid umfaßt. Dialkylperoxide sind beispielsweise aus der EP 0 472 819 als Ausgangs Stoffe für polymere Peroxide bekannt. Solche polymeren Peroxide können beispielsweise verwendet werden zur Härtung von ungesättigten Polyesterharzen, zur
Polymerisation von ethylenisch ungesättigten Monomeren, zur Härtung elastomerer Harze, zur Verminderung des Molekulargewichts und zur Modifizierung der
Molekulargewichtsverteilung von Polypropylen/Propylen-Copolymeren, zur Vernetzung von Olefinpolymeren und zur Herstellung von Blockcopolymeren und zur Verträglichmachung von Polymermischungen und -legierungen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Dialkylperoxid die Summenformel CgHigOi aufweisen, insbesondere kann das Dialkylperoxid Di-tert-butylperoxid (DTBP)
Figure imgf000004_0001
sein. Di-tert-butylperoxid ist eine farblose bis gelbliche, leicht flüchtige, wasserunlösliche und nicht explosive Flüssigkeit.
Die DTBP-Flamme ist größer und reiner als die von herkömmlichen Kohlenwasserstoff- Brennstoffen und erzielt dadurch höhere Flammentemperaturen und größere
Wärmeab Strahlung. In Fig. 1 ist ein Vergleich der maximalen Flammentemperaturen für Poolfeuer von DTBP und Kerosin, einem herkömmlichen Kohlenwasserstoff-Brennstoff, für verschiedene Pooldurchmesser gezeigt. Dabei wird unter einem Poolfeuer eine im
allgemeinen turbulente Diffusionsflamme, deren flüssiger Brennstoff horizontal ausgebreitet ist, verstanden. Beispielsweise sind Poolfeuer eine Art von häufig entstehenden
Schadenfeuern, die beispielsweise bei Lagerung, Transport und Verarbeitung flüssiger Brennstoffe entstehen können. Insgesamt sind die chemischen und physikalischen
Grundlagen von Poolfeuern gut untersucht und werden hier nicht weiter ausgeführt. Der Vergleich der maximalen Flammentemperaturen zeigt, daß diese für DTBP durchweg deutlich höher liegen als für Kerosin. Insbesondere erreicht lediglich die Poolflamme von DTBP den
Hochtemperaturbereich über 1200°C. Insbesondere erreicht die DTBP-Poolflamme einen Temperaturbereich oberhalb von 1300°C, und sogar oberhalb von 1500°C. Weiterhin zeigten Messungen, daß der Oberflächenstrahlungsfluß der DTBP-Flamme mehr als doppelt so groß wie der Oberflächenstrahlungsfluß einer Kohlenwasserstoff flamme ist. Industrielle
Hochtemperaturprozesse, die in diesem Hochtemperaturbereich ablaufen, umfassen etwa das Schmelzen von Glas und/oder Metallen, die Zementherstellung und die Keramikherstellung.
Weiterhin brennt DTBP unter atmosphärischen Normalbedingungen fast zehnmal schneller als ein herkömmlicher Kohlenwasserstoff-Brennstoff. In Fig. 2 ist ein Vergleich der
Massenabbrandraten für Poolfeuer von DTBP und Kerosin für verschiedene Pooldurchmesser doppeltlogarithmisch aufgetragen. Wie bereits erwähnt sind die Massenabbrandraten von DTBP fast eine Größenordnung höher als die von Kerosin. Weiterhin variieren die
Massenabbrandraten für DTBP für verschiedene Pooldurchmesser nur geringfügig. Im Gegensatz dazu zeigt Kerosin deutliche Veränderungen der Massenabbrandraten in
Abhängigkeit vom Pooldurchmesser. Da die Massenabbrandrate von DTBP praktisch unabhängig von der Quellengröße ist, erlaubt dies den Einsatz von DTBP als Brennstoff in Brennern verschiedenster Größe.
Darüber hinaus wurden bei Messungen kaum Schadstoffemissionen der DTBP-Flamme ermittelt. Dies liegt zum einen an der natürlichen Turbulenz der DTBP-Flammen, die zu einer besseren Vermischung des Brennstoffs und der Umgebungsluft und somit zu einer vollständigeren Verbrennung führt. Zum anderen stellt DTBP keine aromatischen
Verbindungen bereit, so daß die DTBP-Flamme eine geringere Rußbildung aufweist. Daher wird durch die Verwendung von DTBP als Brennstoff die Schadstoffemission vermindert.
Weiterhin dienen Dialkylperoxide, insbesondere DTBP, in den oben beschriebenen industriellen Hochtemperaturprozessen als starke Verbrennungsbeschleuniger aufgrund des im Molekül vorhandenen Aktivsauerstoffs. Auf diese Weise kann der Schadstoff- und Rußgehalt der Verbrennungsprodukte stark gesenkt werden. Dies senkt überdies die Kosten entsprechender Anlagen, da die externe Zufuhr eines Oxidanten, beispielsweise Luft, Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft, reduziert oder gar weggelassen werden kann, so daß auf betreffende Anbauten an den Anlagen verzichtet werden kann. Die oben als Brennstoff beschriebenen Dialkylperoxide, insbesondere DTBP, können auch mit anderen Brennstoffen, insbesondere anderen flüssigen Brennstoffen, im Gemisch vorliegen. Insbesondere kann das Dialkylperoxid als Brennstoffzusatz mit einem Anteil von 0,1 Gew.- bis 80 Gew.- vom Gesamtgewicht des Brennstoffs bereitgestellt werden.
Gemäß einer Weiterbildung können das Dialkylperoxid mit einem Anteil von 0,1 Gew.- bis 20 Gew.- vom Gesamtgewicht des Brennstoffs bereitgestellt werden. Der genaue Anteil im Brennstoff hängt von der spezifischen Verwendung ab, solange eine Verbrennung des Zusatzes sicher erfolgen kann. So kann in einigen Fällen ein geringer Anteil ausreichend sein, um das gewünschte Verbrennung s verhalten im Gesamtsystem zu initiieren, während in anderen Fällen ein hoher Anteil erforderlich ist. Insbesondere kann der Brennstoff vollständig aus einem Dialkylperoxid, insbesondere aus DTBP, bestehen.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Diese Ausführungsbeispiele sollten keinesfalls als einschränkend für die vorliegende Erfindung verstanden werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Brennstoff, umfassend ein Dialkylperoxid.
2. Brennstoff nach Anspruch 1, wobei das Dialkylperoxid die Summenformel CgH1802 aufweist.
3. Brennstoff nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Dialkylperoxid Di-tert-butylperoxid ist.
4. Brennstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dialkylperoxid ein Brennstoffzusatz mit einem Anteil von 0,1 Gew.- bis 80 Gew.- des Brennstoffs ist.
5. Brennstoff nach Anspruch 4, wobei das Dialkylperoxid ein Brennstoffzusatz mit
einem Anteil von 0,1 Gew.- bis 20 Gew.- des Brennstoffs ist.
6. Brennstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Brennstoff aus dem
Dialkylperoxid besteht.
7. Verwendung eines Brennstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Hochtemperaturverbrennung sprozeß .
8. Verwendung nach Anspruch 7, wobei der Hochtemperaturverbrennungsprozeß bei Temperaturen über 1200°C abläuft.
9. Verwendung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Hochtemperaturverbrennungsprozeß in einem Hochtemperaturofen abläuft.
10. Verwendung eines Brennstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei der
Glasherstellung.
11. Verwendung eines Brennstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 6 beim Schmelzen von Metallen.
12. Verwendung eines Brennstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei der Zementherstellung.
13. Verwendung eines Brennstoffs nach einem der Anspräche 1 bis 6 bei der Keramikherstellung.
PCT/EP2010/062193 2009-09-03 2010-08-20 Ein effizienter und sauberer brennstoff für die prozessindustrie WO2011026742A1 (de)

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