Способ сжигания топлива

Изобретение относится к способам сжигания топлива в псевдоожиженном слое твердого теплоносителя для нагрева газов, жидкостей и твердых тел, а также обезвреживания газообразных, жидких и твердых отходов.

Известен способ сжигания топлив в псевдоожиженном слое твердого теплоносителя для нагрева рабочей среды путем подачи воздуха через газораспределительную решетку в упомянутый слой теплоносителя с одновременным введением в последний топлива в близком к стехиометрическому соотношении топливо-кислород воздуха α=1.0÷1.1 и регулированием температуры слоя путем отвода из него тепла с помощью рабочей среды (Махорин К.Е., Тищенко А.Т. Высокотемпературные установки с кипящим слоем. Киев: Техника, 1966). Недостатками данного способа является необходимость проведения процесса при высоких температурах (выше 800°C), определяемых скоростью горения топливно-воздушных смесей на поверхности частиц инертного теплоносителя. Для ввода аппарата в работу необходимо нагреть теплоноситель до 600-800°C с помощью дополнительного источника теплоты, а для устойчивой работы аппарата температура в слое должна поддерживаться на уровне 800-1000°C. Высокие температуры сжигания приводят к образованию термических оксидов азота по реакции: . Связанные в топливе соединения азота в этом случае также окисляются до оксидов азота. Наблюдается также высокий выброс оксида углерода и органических соединений типа бензпиренов, особенно при сжигании твердых топлив.

Известен также способ сжигания топлив для нагрева рабочей среды путем подачи воздуха с α=1.0÷1.1 через газораспределительную решетку в псевдоожиженный слой дисперсного катализатора полного окисления органических веществ (например, 30 мас. % CuCr₂O₄, Al₂O₃ - остальное; 15% Cr₂O₃, Al₂O₃ - остальное) с одновременным введением в слой катализатора топлива. Температура в слое поддерживается постоянной в интервале 300÷800°C за счет изменения расхода рабочей среды (SU 826798, F23C 11/02, 30.05.83). Достоинством данного способа является радикальное снижение выбросов оксидов азота за счет снижения температуры процесса снижение токсичных углеродсодержащих выбросов за счет их глубокого окисления на катализаторе. Недостатком данного способа является использование катализатора как основного твердого теплоносителя. Это приводит к высоким загрузкам катализатора в реактор (высота слоя до 1.5 м) и, как следствие, большим расходам катализатора за счет его механического износа (0.3-0.5% объемных в сутки). При сжигании испаряющихся жидких топлив и отходов с высоким содержанием воды наблюдаются значительные температурные перепады на гранулах катализатора, достигающие 400-500°C, что приводит к дополнительному износу катализатора за счет раскола гранул. При высоком износе содержащиеся в катализаторе токсичные компоненты (хром, медь и др.) могут вызывать вторичное загрязнение окружающей среды. Для ликвидации такого рода загрязнения требуется сложная система пылеочистки отходящих из реактора дымовых газов.

Известен также способ сжигания топлива (RU 2057988, F23C 11/02, 10.04.1996) для нагрева рабочей среды путем подачи воздуха через газораспределительную решетку в псевдоожиженный слой смеси дисперсных частиц катализатора полного окисления органических веществ и 75-80% общего объема смеси частиц инертного теплоносителя с одновременным введением в слой топлива. Температура в слое поддерживается постоянной в интервале 300-800°C за счет изменения расхода рабочей среды. Недостатком способа является сложность поддержания концентрации катализатора в слое из-за его истирания и уноса и довольно высокий расход катализатора за счет истирания гранул.

Наиболее близок по технической сущности способ осуществления химических процессов в присутствии одновременно гетерогенного катализатора и инертного материала в реакторе с псевдоожиженным слоем теплоносителя, в который непрерывно вводят снизу и выводят сверху частицы катализатора (например, Fe₂O₃) с размером 10 мкм при поддержании их концентрации 1-15 г/м³ (RU 2081695, B01J 8/08, B01J 8/32, 20.06.1997). Недостатком способа является относительно большой расход дефицитного и дорогостоящего катализатора из-за сложности улавливания частиц катализатора после реактора.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в исключении использования при сжигании топлива дефицитных и дорогостоящих порошков катализаторов на основе переходных металлов.

Технический результат - высокая эффективность сжигания топлива.

Задача решается тем, что сжигание топлив проводят в псевдоожиженном слое дисперсных частиц инертного материала, в который непрерывно вводят снизу и выводят сверху частицы золы-уноса, образующиеся при сгорании ископаемых твердых топлив, а над газораспределительной решеткой размещена объемная организующая насадка.

В качестве катализатора используют частицы золы-уноса, образующиеся непосредственно в псевдоожиженном слое дисперсных частиц инертного материала при сжигании в слое ископаемых твердых топлив.

Образующиеся непосредственно в псевдоожиженном слое дисперсных частиц инертного материала и улавливаемые при очистке отходящих газов частицы золы-уноса возвращаются в псевдоожиженный слой в качестве катализатора.

Частицы золы-уноса дополнительно подают в псевдоожиженный слой на стадии вывода установки на рабочий температурный режим после предварительного разогрева слоя до температуры 350-400°C.

Используемые частицы золы-уноса, образующиеся при сгорании ископаемых твердых топлив, содержат оксиды железа в количестве 3.5÷83.0 мас. % и примеси других переходных металлов.

Над газораспределительной решеткой размещена объемная организующая насадка с живым сечением 50-90% и долей свободного объема в пакете насадок 85-95%.

На газораспределительной решетке размещены гранулы инертного материала с температурой плавления выше температуры окисления топлива в реакторе.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. (Аналог 1)

В реактор диаметром 40 мм загружают 350 мм гранул песка размером 0.63-1.25 мм. Под газораспределительную решетку подают воздух для псевдоожижения слоя инертного материала (речной песок с размером частиц 0.63-1.25 мм) и окисления топлива. Внешним электроподогревателем нагревают слой до 350-400°C. Затем через форсунку подают дизельное топливо в количестве 120 г/ч. Температура в слое регулируется количеством воды, подаваемой на охлаждение в теплообменник, погруженный в слой инертного материала, и поддерживается на уровне 700°C.

Глубина окисления дизельного топлива 93.1%.

Пример 2 (Аналог 2)

Аналогичен примеру 1. Вместо песка загружают коммерческий алюмомеднохромовый оксидный катализатор ИК-12-70 (состав: Cr₂O₃ - 13.2 мас. %, CuO - 6.8 мас. %, Al₂O₃ - остальное, размер частиц 1.25-1.5 мм).

Глубина окисления дизельного топлива 99.9%.

Пример 3 (Аналог 3)

Аналогичен примеру 1. Вместо песка загружают смесь катализатора ИК-12-70 (25% от общего объема) и песка (75% от общего объема).

Глубина окисления дизельного топлива 99.9%.

Пример 4. (Прототип)

Аналогичен примеру 1. В нижнюю часть реактора, загруженного инертным теплоносителем (речной песок), подают частицы катализатора Fe₂O₃ размером менее 0.09 мм в количестве 150 см³/ч.

Глубина окисления дизельного топлива 96.6%.

Пример 5. (Прототип)

Аналогичен примеру 4. В нижнюю часть реактора, загруженного инертным теплоносителем (речной песок), подают частицы размельченного коммерческого катализатора ИК-12-70 размером менее 0.09 мм.

Глубина окисления дизельного топлива 95.8%.

Примеры 6-8 иллюстрируют предлагаемый способ.

Пример 6. Аналогичен примеру 5. Вместо катализатора в нижнюю часть реактора подают частицы золы размером менее 0.09 мм от пылевидного сжигания бурого угля Ирша-Бородинского месторождения марки Б2 Канско-Ачинского месторождения при температуре в ядре факела 1350-1400°C на Красноярской ГРЭС-2 с содержанием оксида железа 83.0 мас. % и примесей оксидов переходных металлов не более 1 мас. %. Над газораспределительной решеткой размещена объемная организующая насадка с живым сечением 90% и долей свободного объема в пакете 95%.

Глубина окисления дизельного топлива 97.9%. Основной состав золы-уноса приведен в таблице 1.

Пример 7

Аналогичен примеру 6. Вместо дизельного топлива в реактор подают каменный уголь марки Г Кузнецкого бассейна. Расход угля 250 г/ч. В качестве катализатора используют золу-унос, образующуюся непосредственно при сжигании каменного угля в псевдоожиженном слое инертного материала при 700-800°C с содержанием оксида железа 3.5 мас. % и примесей оксидов переходных металлов не более 1 мас. %. Над газораспределительной решеткой размещена объемная организующая насадка с живым сечением 50% и долей свободного объема в пакете 85%.

Глубина окисления органической составляющей каменного угля 94.7%.

Пример 8.

Аналогичен примеру 7. Дополнительно в реактор в качестве катализатора окисления подают золу-унос, уловленную на выходе из реактора, в количестве 150 см 1 ч. Глубина окисления органической составляющей каменного угля 96.2%.

Пример 9.

Аналогичен примеру 7. При подаче каменного угля после разогрева слоя до 350°C дополнительно подают золу-унос в количестве 150 г/ч для уменьшения времени выхода установки на рабочий температурный режим. После выхода установки на рабочий температурный режим подачу золы-уноса отключают. Время выхода на рабочий режим сократилось в 2 раза (с 60 мин до 30 мин).

Таким образом, приведенные примеры показывают, что зольные остатки от сжигания ископаемых твердых топлив в отношении окисления дизельного топлива близки по своей активности в отношении окисления дизельного топлива катализаторам на основе переходных металлов, используемых в прототипе. При этом необходимо отметить, что зольные остатки от сжигания углей являются отходом котельных при производстве тепловой и электрической энергии. Стоимость же оксида железа составляет около 100 тысяч рублей за тонну, а стоимость алюмомеднохромового катализатора достигает 500 тысяч рублей за тонну.