RU2794914C1 - Способ получения тепловой энергии - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам получения тепловой энергии из углеводородного сырья, и может быть использовано в теплоэнергетике, электроэнергетике, в химической, и нефтехимической отраслях промышленности. Способ заключается в предварительном перемешивании углеводородного топлива с окислителем, сжигании углеводородного топлива при недостаточном доступе окислителя, причем в процессе сжигания создают переобогащенную смесь при соотношении окислителя к топливу в диапазоне от 0,25 до 8,0 м³ окислителя на 1,0 м³ газообразного и 1 литр жидкого топлива, в качестве окислителя используют кислород или воздух, фиксируют в продуктах сгорания наличие углеводородного топлива, окиси и двуокиси углерода (СО и СО₂), а при уменьшении или увеличении их содержания соответственно увеличивают или уменьшают подачу окислителя в пределах указанного диапазона. Технический результат - повышение экологической эффективности за счет снижения выброса оксидов углерода путем сжигания преимущественно водорода и выделения углерода из выхлопных газов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к способам получения тепловой энергии из углеводородного сырья и может быть использовано в теплоэнергетике, электроэнергетике, в химической и нефтехимической и др. отраслях промышленности.

В настоящее время с целью снижения выбросов углекислого газа в атмосферу ищутся пути перевода энергетики с процесса сжигания углеводородов на процесс сжигания водорода. В известных способах эта цель достигается выделением водорода из углеводородов разными методами (пиролиз и т.д.). При этом все существующие методы энергозатратны, что приводит к неприемлемо высокой стоимости полученной таким образом энергии.

Известен способ получения тепловой энергии путем двухстадийного сжигания газообразного углеводородного топлива, заключающийся в том, что предварительно на первой стадии осуществляют частичное каталитическое окисление углеводородного топлива с получением синтез-газа, содержащего водород и монооксид углерода, а на второй стадии смешивают синтез-газ с дополнительным количеством воздуха и осуществляют сжигание полученной смеси синтез-газа с воздухом (RU 2350839, 2009 г.). В известном техническом решении в процессе сжигания обеспечивают общий коэффициент избытка воздуха, а также используют различные катализаторы.

Известен способ получения тепловой энергии путем двухстадийного сжигания газообразного углеводородного топлива, заключающийся в том, что предварительно осуществляют сжатие окислителя, содержащего кислород, сжигание осуществляют под давлением смеси горючего и сжатого окислителя и используют часть горячих газов, полученных сжиганием под давлением, для проведения этапа дожигания смеси горячих газов, причем в качестве окислителя в процессе дожигания применяют смесь кислорода и диоксида углерода (RU 2309275, 2007 г.). Использование в известном техническом решении в качестве горючего природного газа характеризуется наличием в отходящих газах диоксида углерода.

Известен способ получения тепловой энергии, заключающийся в том, что сжигают топливную смесь, включающую окислитель, в качестве которого используют кислород, и природный газ, преимущественно метан (RU 2154185, 2000 г.). В известном техническом решении после воспламенения топливной смеси дополнительно подают пероксид водорода, смешивая его с природным газом, при использовании катализатора, способствующего наиболее полному разложению пероксида водорода и дополнительному окислению пероксидом водорода окиси углерода до углекислого газа.

Известные технические решения, указанные выше, представляют собой двухстадийные способы получения тепловой энергии, характеризующиеся существенным ухудшением полноты сгорания топлива и как следствие снижением к.п.д. и ни одно из них не позволяет снизить количества выбросов углекислого газа.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ получения тепловой энергии путем сжигания углеводородного топлива, заключающийся в том, что. осуществляют сжигание топлива в режиме избытка топлива (RU 2262039, 2005 г.). В известном техническом решении осуществляют раздельный подвод топлива и воздуха, причем сжигание в центральной области осуществляют в режиме избытка топлива, а на периферии факела - в режиме избытка воздуха. Образование окислов азота (NO_x) в процессе сжигания топлива зависит от температуры, и при ее снижении уменьшается, причем не влияет на снижение уровня окислов углерода (СО и СО₂). С этой целью в процессе сжигания в центральную область факела подают пар, а также накладывают поле акустических колебаний, что препятствует образованию крупных частиц углерода. Известное техническое решение позволяет сократить выбросы только окислов азота. При этом в процессе сжигания топлива вынос в окружающую среду окислов углерода (СО и СО₂) увеличивается, т.к. необходимы затраты энергии на получение пара и акустических колебаний, что приводит к снижению к.п.д. установки.

Таким образом, общим существенным недостатком известного технического решения является низкая экологическая эффективность,

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, а именно в разработке способа получения тепловой энергии, обеспечивающего повышение экологической эффективности способа.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемым изобретением, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании способа получения тепловой энергии, обеспечивающего повышение экологической эффективности способа за счет снижения выброса оксидов углерода путем сжигания преимущественно водорода и выделения углерода из выхлопных газов.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа получения тепловой энергии, заключающегося в сжигании углеводородного топлива при недостаточном доступе окислителя, согласно предлагаемому изобретению, предварительно осуществляют перемешивание углеводородного топлива с окислителем, а в процессе сжигания создают переобогащенную смесь при соотношении окислителя к топливу в диапазоне от 0,25 до 8,0 м³ окислителя на 1,0 м³ газообразного или 1 литр жидкого топлива, в качестве окислителя используют кислород или воздух, фиксируют в продуктах сгорания наличие углеводородного топлива, окиси и двуокиси углерода (СО и СО₂), причем возможна фиксация только одного или любых двух из трех указанных параметров - остатков углеводородного топлива, СО или СО₂. При уменьшении или увеличении их содержания соответственно увеличивают или уменьшают подачу окислителя, причем в пределах указанного диапазона.

Существенность отличительных признаков предлагаемого технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая изобретение обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение, а именно: после выделения углерода из продуктов сгорания смеси последние подвергают вторичному сжиганию без ограничения доступа кислорода.

Способ осуществляется следующим образом.

Сжигание углеводородного топлива (например, природного газа) производится при ограниченной подаче окислителя. При этом предварительно смешивают углеводородное топливо с окислителем, в качестве которого используют кислород или окружающий воздуха, в процессе сжигания создают переобогащенную смесь с соотношением окислителя к топливу в диапазоне от 0,25 до 8,0 м³ окислителя на 1,0 м³ газообразного или на 1 литр жидкого топлива.

Определение оптимального соотношения количества горючего и окислителя, обеспечивающего их сгорание с выделением максимального количества тепловой энергии на следующем примере соотношения количества горючего и окислителя: горючий газ - метан (СН₄), бутан (С₄Η₁₀), окислитель - кислород (О₂).

Известно, что горение углеводородов при недостатке кислорода приводит к появлению продуктов неполного окисления - угарного газа (СО) и углерода (С).

Формулы сгорания газов при разных пропорциях окислителя:

- для метана

2СН₄+3О₂=2СО+4Н₂О

СН₄+О₂=С+Н₂О

- для бутана

6С₄Н₁₀+31О₂=8СО₂+8СО+8С+30Н₂О

2С₄Н₁₀+9О₂=8СО+10Н₂ О

2С₄Н₁₀+5О₂=8С+10Н₂О

Из приведенных формул следует, что при ограничении подачи кислорода весь водород сгорает, а углерод сгорает частично, или выделяется в чистом виде. Таким образом, сжигать только водород из углеводородов при сжигании можно не путем его выделения, а путем снижения подачи кислорода (окислителя). Преимущество предложенного технического решения в том, что стоимость полученной таким образом тепловой энергии в разы меньше, чем в известных способах, при которых водород сначала извлекается и только потом сжигается. Кроме того, эффективность предложенного способа повышается за счет попутного извлечения ценного сырья - чистого углерода.

Расход окислителя на 1 кг (1 м³) газообразного топлива представлен в таблице:

Необходимо отметить, что метан (СН₄), пропан (С₃Н₈) и бутан (С₄Н₁₀) чаще всего используются не по отдельности, а как смесь горючих газов. Поэтому требуемое количество окислителя для полного сгорания смеси будет зависеть от процентного соотношения каждого из компонентов.

Кроме того, необходимо учитывать, что в воздухе или техническом кислороде присутствуют другие компоненты, которые под действием высоких температур горения сами вступают в реакцию окисления и тем самым снижают долю окислителя, приходящуюся на горючий газ.

При сжигании природного газа большая часть пламени имеет сине-голубой цвет. Это обусловлено тем, что в этой части пламени сгорает водород, потеря которого молекулами газа приводит к появлению в этой части пламени частиц углерода (С) и (СН), которые придают пламени сине-голубой цвет. В верхней части пламя меняет цвет с сине-голубого на красный, что является признаком сгорания углерода, который выделяется в нижней и средней части пламени. Перед сжиганием необходимо тщательно смешать углеводородное топливо с окислителем (кислородом или воздухом), т.к. в противном случае в процессе горения образуются зоны с избытком кислорода, в которых частично сгорает углерод, и зоны без кислорода, где топливо под действием температуры частично разлагается на углерод и водород, т.е. происходит процесс пиролиза. В результате отводимые газы будут представлять собой смесь углерода (не выделенные частицы), водорода, окиси и двуокиси углерода (СО и СО₂), и газообразного углеводородного топлива. Соотношение окислителя к топливу выбирают в диапазоне от 0,25 до 8,0 м³ окислителя на 1,0 м³ газообразного и 1 литр жидкого топлива. При этом количество окислителя на первом этапе реализации способа получения углерода менее 0,25 м³ на 1,0 м³ газообразного и 1 литр жидкого топлива не обеспечивает поддержания требуемой температуры горения и приводит к постепенному затуханию пламени, а при количестве окислителя более 8,0 м³ на 1,0 м³ газообразного и 1 литр жидкого топлива в процессе сгорания происходит образование окислов углерода. Регулирование подачи окислителя в необходимом объеме осуществляют в процессе отслеживания содержания несгоревшего топлива и/или СО и СО₂, причем возможна фиксация только одного или любых двух из трех указанных параметров - остатков углеводородного топлива, СО или СО₂, В процессе сжигания фиксируют количество этих газов на выходе из камеры сгорания, а при уменьшении или увеличении их количества соответственно увеличивают или уменьшают подачу окислителя, причем в пределах указанного диапазона. Если в результате реализации процесса сжигания отводимые газы содержат несгоревшее газообразное углеводородное топливо и/или СО и невыделенные частицы углерода, то для повышения эффективности процесса отводимые в окружающую среду после выделения углерода из продуктов сгорания смеси последние подвергают вторичному сжиганию без ограничения доступа кислорода. В этом случае реализация предлагаемого способа дополнительно обеспечивает максимальную отдача тепла, при этом остатки природного газа, не выделенного углерода и угарного газа сжигаются, что позволяет также исключить установку фильтров для улавливания не выделенных на первом этапе реализации способа частиц углерода, а углекислый газ в атмосферу выделяется в значительно меньшем объеме, что обеспечивает повышение экологической эффективности способа за счет снижения неблагоприятного воздействия продуктов сгорания на окружающую среду.

Горение углеводородного топлива в переобогощенной смеси приводит к образованию углерода. Последний в зависимости от поставленной задачи может быть структурирован различным образом в требуемой форме (от простой сажи до нанотрубок и фуллеренов). Характеристики полученного углерода определяются температурой сгорания углеводородного топлива и другими условиями реализации процесса. При этом сжигание углеводородного топлива, например метана, с ограничением подачи кислорода в качестве окислителя (переобогащенной смеси) позволяет получить тепло в количестве более 50% по сравнению со сжиганием при достаточном количестве кислорода, и это тепло может быть использовано для отопления, выработки «чистой» электроэнергии и для других целей.

Таким образом, предварительное перемешивание углеводородного топлива с окислителем, создание в процессе непрерывного сжигания переобогащенной смеси при соотношении окислителя к топливу в диапазоне от 0,25 до 8,0 м³ окислителя на 1,0 м³ газообразного и 1 литр жидкого топлива, фиксация в процессе сжигания в продуктах сгорания наличия остатков топлива, окиси и двуокиси углерода (СО и СО₂), причем возможна фиксация только одного или любых двух из трех указанных параметров - остатков углеводородного топлива, СО или СО₂, и увеличение или уменьшение подачи окислителя соответственно при уменьшении или увеличении их содержания в пределах указанного диапазона существенно снижает выброс углерода и его оксидов в окружающую среду за счет выделения углерода из процесса горения, что обеспечивает повышение экологической эффективности способа.

Claims (2)

1. Способ получения тепловой энергии, заключающийся в сжигании газообразного углеводородного топлива при недостаточном доступе окислителя, отличающийся тем, что предварительно осуществляют перемешивание углеводородного топлива с окислителем, в процессе сжигания создают переобогащенную смесь при соотношении окислителя к топливу в диапазоне от 0,25 до 8,0 м³ окислителя на 1,0 м³ газообразного и 1 литр жидкого топлива, в качестве окислителя используют кислород или воздух, фиксируют в продуктах сгорания наличие углеводородного топлива, окиси и двуокиси углерода (СО и СО₂), а при уменьшении или увеличении их содержания соответственно увеличивают или уменьшают подачу окислителя, причем в пределах указанного диапазона.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после выделения углерода из продуктов сгорания смеси последние подвергают вторичному сжиганию без ограничения доступа кислорода.