Снижение количества углерода в золе-уносе от сжигания угля путем добавки к углю марганца - RU2265043C1

Описание

Изобретение относится к способу снижения количества углерода в золе-уносе, образующейся при сжигании угля, и к добавке для такого снижения. Более конкретно способ и добавка относятся к объединению марганецсодержащего соединения с углем перед сжиганием или во время сжигания угля.

Предшествующий уровень техники

В результате неполного сгорания углеводородных видов топлива, включая уголь, в золе-уносе образуется углерод. Для снижения общего количества выделяющегося из топочной камеры золы-уноса количество углерода в золе желательно снижать. Зола-унос с низким содержанием углерода также легче подвергается уничтожению и более легко, чем зола-унос с высоким содержанием углерода, улавливается электростатическими фильтрами, которые часто применяются для снижения эмиссии зольных частиц.

Для печей, работающих на угле, известно несколько способов снижения количества углерода в зола-уносе. В одном из предшествующих решений увеличивают количество воздуха, нагнетаемого в топочную камеру. Несмотря на то, что указанный способ снижает количество углерода в зола-уносе, обычно он приводит к нежелательному увеличению эмиссии NO_x. Также известно, что количество углерода в зола-уносе снижают путем добавления к углю или в топочную камеру некоторого количества магния или кальция. Концентрация указанных металлов, в которой их следует добавлять для достижения эффективности, очень высока. К сожалению, большие количества кальция или магния могут вызывать другие проблемы в системе, такие как засорение.

Обычно в угле в значительных количествах присутствует такой металл, как марганец. В некоторых случаях в угле присутствует марганец природного происхождения в концентрации, составляющей несколько сотен частей на миллион (ч/млн). Однако при наличии такого количества марганца, свойственного углю, снижения количества углерода в золе не наблюдается.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к добавке и способу снижения количества углерода в золе-уносе, образующемся при сжигании угля. Добавка содержит марганецсодержащее соединение, включая, но этим не ограничиваясь, неорганические и металлоорганические соединения марганца. Термины «марганецсодержащее соединение» и «соединение марганца» могут применяться здесь взаимозаменяемо.

На фиг.1 представлено содержание углерода в золе в результате введения добавки марганца в зависимости от времени.

На фиг.2 проиллюстрировано содержание марганца в золе-уносе.

Подробное описание изобретения

В одном из вариантов воплощения марганецсодержащее соединение смешивают с углем либо перед топочной камерой либо в топочной камере. Для усиления эффективности марганца как катализатора реакции горения соединение марганца, смешиваемое с углем, должно обеспечивать присутствие марганца в виде одноядерного соединения или в виде небольших кластеров. При таком способе во время сжигания большее количество марганца диспергируется на частицах угля (углерода) или среди них.

Таким образом, в представленном здесь варианте воплощения предлагается способ снижения количества углерода в золе-уносе, образующейся при сжигании угля, включающий в себя объединение угля и добавки, которая содержит марганецсодержащее соединение, с образованием их смеси, и сжигание указанной смеси в топочной камере, при этом соединение марганца присутствует в количестве, эффективном для снижения количества углерода в золе-уносе, образующейся при сжигании угля в топочной камере.

Предполагается, что значительный уровень марганца природного происхождения в угле не оказывает заметного влияния на снижение количества углерода в золе-уносе ввиду того, что такой марганец связан в кристаллических или крупнокристаллических формах, например, с серой или фосфором (III). Следовательно, нет достаточного количества одноядерных соединений или небольших кластеров из атомов марганца, обеспечивающих получение дисперсии, способной окружить частицы угля (углерода) и катализировать их горение. Поэтому влияние марганца природного происхождения на горение проявляется незначительно.

Применяемый здесь термин «одноядерное» соединение включает в себя такие соединения, где атом марганца или небольшой кластер из атомов марганца связан в соединение, существенно растворимое в органике. Примером может служить металлоорганическое соединение марганца, которое растворимо в различных органических растворителях. Соединения с «небольшими кластерами» из атомов металла могут содержать, например, кластеры приблизительно из 2-50 атомов марганца. При таком варианте атомы металла все еще достаточно диспергированы или способны диспергироваться для того, чтобы эффективно катализировать реакцию горения. При обсуждении растворимости соединений, представляющих собой одноядерные соединения и небольшие кластеры из атомов, применяемый здесь термин "растворимость" означает, что оба таких соединения не только полностью растворимы в традиционном смысле, но также растворимы частично или образуют суспензию или дисперсию в жидкости или жидкой среде. До тех пор, пока атомы марганца подходящим образом диспергированы в виде отдельных атомов или в виде кластеров, содержащих приблизительно до 50 атомов, их достаточно для того, чтобы обеспечить положительное каталитическое влияние на реакцию горения.

Примеры одноядерных соединений включают в себя неорганические и металлоорганические соединения. В одном из вариантов воплощения настоящего изобретения предпочтительные металлоорганические соединения содержат в своем составе органические и неорганические лиганды, включая спирты, альдегиды, кетоны, сложные эфиры, ангидриды, сульфонаты, фосфонаты, хелаты, феноляты, нафтенаты, краун-эфиры, карбоновые кислоты, амиды, ацетилацетонаты и их смеси. Металлоорганические марганецсодержащие соединения включают в себя, но этим не ограничиваются, соединения трикарбонилмарганца. Такие соединения предлагаются, например, в патентах США №4568357; 4674447; 5113803; 5599357 и 5944858; и европейском патенте №466512 B1.

Подходящие соединения трикарбонилмарганца, которые можно применять, включают в себя трикарбонилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилметилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилдиметилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилтриметилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилтетраметилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилпентаметилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилэтилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилдиэтилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилпропилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилизопропилциклопентадиенилмарганец, трикарбонил(трет-бутилциклопентадиенил)марганец, трикарбонилоктилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилдодецилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилэтилметилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилинденилмарганец и т.п., включая смеси двух или более таких соединений. Один из примеров представляет собой трикарбонилы циклопентадиенилмарганца, которые при комнатной температуре находятся в виде жидкости, такие как трикарбонилметилциклопентадиенилмарганец, трикарбонилэтилциклопентадиенилмарганец, жидкие смеси трикарбонилциклопентадиенилмарганца и трикарбонилметилциклопентадиенилмарганца, смеси трикарбонилметилциклопентадиенилмарганца и трикарбонилэтилциклопентадиенилмарганца и т.д.

Получение таких соединений описано в литературе, например, в патенте США №2818417, который включен в настоящее описание в полном объеме.

Другие примеры применимых здесь соединений марганца представляют собой соединения с небольшими кластерами приблизительно из 2-50 атомов.

Системы сжигания, в которых можно применять описанные здесь соединения, включают любые устройства для сжигания, все внутренние и наружные устройства для сжигания, механизмы, двигатели, газотурбинные двигатели, бойлеры, инсинераторы (печи дожига), выпарные печи, стационарные печи и т.п., которые могут сжигать или в которых можно сжигать углеводородное топливо, такое как уголь. Однозначно подходят все печи, работающие на угле, особенно большие системы. Однако более всего подходят печи с потоками первичного воздуха, с помощью которых уголь подается на операцию дробления, проходит через нее и, в конечном счете, подается в топочную камеру печи. В печи может существовать один или большее число потоков вторичного воздуха, с помощью которых воздух также подается в топочную камеру.

Соединение марганца согласно варианту воплощению настоящего изобретения смешивают с углем либо перед топочной камерой либо одновременно в топочной камере. Например, соединение марганца можно вводить в поток первичного воздуха для смешивания с углем перед топочной камерой. Альтернативно соединение марганца можно вводить с потоком вторичного воздуха и смешивать с углем в топочной камере. Наконец, содержащую соединение марганца добавку можно вводить отдельно в уголь и непосредственно в топочную камеру. При любом варианте будут созданы условия, которые приведут к эффективному смешиванию добавки, содержащей соединение марганца и угля, таким образом, чтобы атомы марганца присутствовали и были способны проявлять каталитическую активность. Добавка может быть в жидкой форме, чтобы ее можно было смешивать с жидкими видами топлива и легко диспергировать в воздухе, поступающем в зону горения, с помощью форсунок и умеренного нагрева. Альтернативно марганецсодержащая добавка может быть частью (но не обязательно жидкой) текучей среды, твердого или порошкового материала.

Содержание введенного соединения марганца в угле (степень обработки) составляет приблизительно от 1 до 500 ч/млн. по массе. Альтернативное содержание марганца составляет приблизительно от 5 до 100 ч/млн. по массе. В еще одном варианте воплощения содержание марганца в угле составляет приблизительно 20 ч/млн. по массе.

ПРИМЕР:

Применяемые в данном примере угли проанализировали и определили, что содержание марганца в них составляет приблизительно 700 ч/млн. по массе. Чтобы определить фоновое содержание, такой уголь сжигали в печи большой мощности (600 МВт) и измеряли как содержание марганца, так и содержание углерода в золе (CIA от англ. carbon in ash) золе-уноса через равные промежутки времени. Содержание марганца в такой золе составляло в среднем приблизительно 500 ч/млн. по массе, a CIA составляло приблизительно 6 мас.%. Затем в воздух, поступающий в зону горения, дозированно вводили марганецсодержащую добавку (Greenburn ® 2001HF Combustion Catalyst) в концентрации приблизительно 20 ч/млн. по массе. Наблюдалось повышение содержания марганца в золе-уносе от фонового содержания, выставляющего приблизительно 500 ч/млн. в среднем приблизительно до 600 ч/млн. по массе. В то же время CIA снижалось от фонового содержания, составляющего приблизительно 6 мас.%, в среднем приблизительно до 4,1 мас.%. Согласно расчету, снижение CIA составляет приблизительно 28%. Был сделан вывод, что марганец в добавке активен по отношению к выгоранию углерода, однако марганец природного происхождения по отношению и углю весьма инертен.

На фиг.1 проиллюстрировано преимущество настоящего изобретения по снижению количества углерода в золе ("CIA") после введения марганецсодержащей добавки для сжигания угля. На фиг.2 проиллюстрировано увеличение содержания диоксида марганца в золе-уносе после введения марганецсодержащей добавки для сжигания угля.

Надо понимать, что упоминаемые здесь где-либо в описании или формуле изобретения химические наименования реагентов и компонентов, причем независимо от того упоминаются ли они в единственном или множественном числе, обозначаются в том виде, в каком они существуют до того, как придут в соприкосновение с другим веществом, упоминаемым под своим химическим наименованием или химическим типом (например, исходное топливо, растворитель и т.д.). Не имеет значения, что в полученной смеси, растворе или реакционной среде происходят химические изменения, превращения и/или реакции, если таковые имеются, поскольку такие изменения, превращения и/или реакции являются естественным результатом введения указанных реагентов и/или компонентов при условиях, как он существовал в период непосредственно перед тем, как его впервые перемешали или смешали с одним или большим числом других веществ, компонентов и/или ингредиентов в соответствии с настоящим описанием. Тот факт, что вещество, компонент или ингредиент может утратить свою первоначальную идентичность благодаря химической реакции или превращению во время проведения таких операций перемешивания или смешивания или сразу после них, является, следовательно, совершенно несущественным для точного понимания и восприятия данного описания и формулы изобретения.

В ряде мест по ходу данного описания делаются ссылки на номера патентов США, на опубликованные иностранные заявки на патенты и опубликованные технические статьи. Все такие процитированные документы безоговорочно включены в данное описание в полном объеме так, как будто они полностью здесь изложены.

Данное изобретение при его практическом воплощении может быть подвергнуто значительным вариациям. Поэтому предшествующее описание не предназначено для ограничения изобретения и не должно досматриваться как ограничивающее изобретение конкретными иллюстративными примерами, представленными выше. Вместо этого то, что предназначено для защиты, изложено в последующей формуле изобретения и ее эквивалентах, насколько это разрешено положениями закона.

У заявителя нет намерения передавать в общественное пользование какие-либо раскрытые варианты воплощения, и поскольку любые раскрытые модификации или изменения могут не попасть в объем формулы изобретения дословно, они считаются частью изобретения согласно теории (доктрине) эквивалентов.

Реферат

Изобретение относится к способу снижения количества углерода в золе-уносе, образующейся при сжигании угля, и к добавке для такого снижения. Описаны способ и добавка для снижения количества углерода в золе-уносе, образующейся при сжигании смеси угля и марганецсодержащего соединения. Соединение марганца можно смешивать с углем либо перед топочной камерой либо в топочной камере. Соединение марганца может представлять собой неорганическое или металлоорганическое соединение. Металлоорганическое соединение может включать в себя трикарбонилметилциклопентадиенилмарганец и др. Изобретение позволяет значительно снизить количество углерода в золе-уносе. 5 н. и 14 з.п.ф-лы.

Формула