RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 203251 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 359229 (51) Int.Cl. C10L 10/00 (2006.01) F23K 5/12 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 19.03.2003 (54) Sposób i układ instalacji przygotowania paliw ciekłych do spalania (73) Uprawniony z patentu: TKW COMBUSTION Sp. z o.o. w upadłości,głowno,pl (43) Zgłoszenie ogłoszono: 20.09.2004 BUP 19/04 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.09.2009 WUP 09/09 (72) Twórca(y) wynalazku: Henryk Karcz,Wrocław,PL Tomasz Butmankiewicz,Opole,PL Paweł Ładogórski,Wrocław,PL Zdzisław Bechtold,Wrocław,PL (74) Pełnomocnik: Syndyk Ewa Górska-Marciniak, TKW Combustion Sp. z o.o. w upadłości PL 203251 B1
2 PL 203 251 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ instalacji przygotowania paliw ciekłych do spalania w palnikach olejowych. Spalanie paliw ciekłych polega na procesie przemiany cieczy w gaz węglowodorowy, zapłonie i spalania gazu w żagwi płomienia. W czasie tego procesu następuje rozbicie jednolitej strugi paliwa ciekłego na krople, które ulegają odparowaniu dając pary i gaz węglowodorowy, które wymieszane z tlenem tworzą palną mieszankę gazową, zaś mieszanka w obecności źródła zapłonowego ulega zapłonowi i tworzy żagiew płomienia. Znane są dwa sposoby rozpylania paliw ciekłych, sposób ciśnieniowy i sposób gazodynamiczny przy pomocy gazu lub pary rozpylającej. W sposobie ciśnieniowym paliwo ciekłe podawane jest do dyszy palnika pod wysokim ciśnieniem rzędu 2,0 do 3,5 MPa. Wypływ paliwa z dyszy palnika powoduje rozbicie jednolitej strugi na krople o wymiarze tym mniejszym im wyższe jest ciśnienie podawanego paliwa. Ze wzrostem ciśnienia rośnie wydajność palnika, natomiast zmniejszenie ciśnienia poniżej 2,5 MPa obniża nie tylko wydajność palnika lecz pogarsza proces spalania, ponieważ rośnie wymiar kropel, te zaś nie odparowują w strefie frontu płomienia, gdzie występuje dostateczna ilość tlenu do wstępnego utleniania gazów węglowodorowych i powstania lekkich węglowodorów, które przechodzą w strefę ubogą w tlen, ulegają polimeryzacji i kragingowi oraz powstają ciężkie węglowodory aromatyczne i sadza nie ulegające spalaniu w żagwi płomienia. Proces spalania jest niecałkowity i niezupełny z powodu zbyt dużych kropel powstałych na skutek niskiego ciśnienia podawanego paliwa. Sposób gazodynamiczny rozpylania jest realizowany w palnikach dwuczynnikowych, gdzie paliwo i czynnik rozpylający są podawane oddzielnymi kanałami. Oba czynniki spotykają się we wspólnym kanale wewnątrz palnika lub na zewnątrz dyszy w bezpośrednim jej sąsiedztwie. Paliwo rozpylane jest przez czynnik rozpylający pod wpływem jego energii kinetycznej. Proces rozpylania jest wystarczający aby zapewnić całkowite i zupełne spalanie paliwa ciekłego przy stosunkowo niskich ciśnieniach oleju rzędu 0,2-1,5 MPa i ciśnieniach czynnika rozpylającego 0,3-2,0 MPa. W przypadku, gdy rozpylającym jest powietrze, tlen jest dostarczany bezpośrednio do strefy tworzenia się mieszaniny palnej i obszaru frontu płomienia. Dostarczany tlen zapobiega polimeryzacji i krakingowi, lecz powoduje nieco gorsze rozpylanie niż para wodna. Palniki dwuczynnikowe posiadają szeroki zakres regulacji wydajności, lecz posiadają małą stabilność frontu płomienia. Niewielkie zmiany podciśnienia w komorze spalania lub zwiększenie prędkości wypływu powietrza z kanału powoduje oderwanie się czoła frontu płomienia od dyszy palnika i zgaśniecie płomienia. Niezależnie od rodzaju palnika najistotniejszymi problemami przy spalaniu paliw ciekłych jest jakość rozpylania strugi paliwa i doprowadzeniu tlenu do pierwotnej strefy odparowania kropel, gdzie powstaje gaz węglowodorowy. Sposób przygotowania paliw ciekłych do spalania według wynalazku charakteryzuje się tym, że proces wysokociśnieniowy i niskociśnieniowy przygotowania paliw z olei ciężkich zwłaszcza z mazutu lub z olei lekkich, zwłaszcza z oleju opałowego lub napędowego prowadzi się w zespołach instalacji A, B, C. Do zbiornika w zespole A doprowadza się olej ciężki podgrzany do temperatury 120-150 C, zaś olej lekki o temperaturze 20-30 C. Z zespołu A olej o ciśnieniu 2-3,5 MPa lub 1-3,5 MPa lub 0,5-2 MPa w ilości od 5000-10000 kg kieruje się do mieszalnika do którego jednocześnie wprowadza się mieszaninę powstałą w zespole instalacji B. Mieszaninę otrzymuje się ze zmieszania jednego tysiąca litrów wody z dziesięcioma kilogramami środka powierzchniowo czynnego o silnej grupie hydrofilowej i hydrofobowej zwanej emulgatorem, przy czym miesza się wodę i emulgator o temperaturze 20 C i ciśnieniu 0,1 MPa. Stosuje się emulgator o nazwie handlowej rokafenol N-5 i chemicznej eter nonylo-fenylo-polioksy etylenoglikolowy lub zamiennie środek o nazwie handlowej rokonol L-4 i nazwie chemicznej eter polioksy etylenowy alkoholu. Wytwarzany w mieszalniku roztwór koloidalny ze zmieszania oleju, wody i emulgatora jest z mieszalnika kierowany poprzez zespół instalacji przykotłowej C do spalania. Układ instalacji przygotowania paliw ciekłych do spalania w palnikach olejowych charakteryzuje się tym, że zawiera instalację przygotowania paliw ciekłych do spalania w procesie wysokociśnieniowym i niskociśnieniowym złożoną z zespołów instalacji oznaczonych na rysunku dużymi literami A, B, C. Zespół instalacji A zawiera zbiornik do którego doprowadza się olej ciężki, zwłaszcza mazut podgrzany do temperatury powyżej 100 C lub olej lekki, zwłaszcza olej opałowy lub napędowy o temperaturze zbliżonej do temperatury pokojowej. Ze zbiornika olej jest kierowany do mieszalnika poprzez filtr, zawory odcinająco - regulacyjne, pompę, manometr, termometr, przepływomierz, beipass pompy olejowej, wpięte w rurociąg doprowadzający olej do mieszalnika zbudowanego jako ejektor strumienicowy
PL 203 251 B1 3 lub mieszalnik rurowy lub zbiornik z mieszadłem. Do mieszalnika jest podłączony zespół instalacji B zawierający zbiornik wody z emulgatorem. W rurociąg pomiędzy zbiornik z mieszadłem i mieszalnik są wpięte, pompa wodna, wodomierz, zawór zwrotny, manometr, termometr, zawory odcinająco - regulacyjne i beipass pompy wodnej. Powstały w mieszalniku roztwór koloidalny ze zmieszania oleju, wody i emulgatora jest skierowany poprzez instalację przykotłową do spalania. Otrzymana mieszanina olejowo - wodna nie jest emulsją lecz stabilnym nierozwarstwającym się koloidalnym roztworem wody w oleju na poziomie cząsteczkowo - jonowym o stopniu rozdrobnienia poniżej 10-5 cm o równomiernie rozłożonych cząsteczkach w objętości mieszaniny. Dodatek związków powierzchniowo czynnych powoduje, że energia cząsteczek oleju i wody w mieszaninie jest na tyle znaczna, że poszczególne frakcje tych cząsteczek są wystarczająco trwałe i nie ulegają rozpadowi w podwyższonej temperaturze. Ponieważ w utworzonym roztworze koloidalnym znajdują się cząsteczki wody a roztwór ten jest częścią palną zawierającą duże ilości cząstek tlenu, jako, że w wodzie jest cztery razy więcej tlenu niż w powietrzu. Palny roztwór olejowo - wodny zawierający stosunkowo duże ilości tlenu wewnętrznego charakteryzuje się wysoką reakcyjnością, która jest przynależną cechą paliw ciekłych o bardzo wysokiej szybkości spalania całkowitego i zupełnego. Palny roztwór olejowo - wodny wymaga do spalania mniejszej ilości doprowadzanego powietrza w wyniku czego powstaje korzystniejszy bilans pomiędzy powietrzem niezbędnym do spalania i powietrzem doprowadzanym, co znacznie obniża straty ciepła na nagrzew balastowego azotu. Obecność cząsteczek wody w roztworze olejowo - wodnym przejawia się w dwojaki sposób w mechanizmie spalania. Po pierwsze, w przypadku spalania mazutu przy ogrzewaniu roztworu do temperatury 120-150 C stan fizyczny cząsteczek wody ulega zmianie. Temperatura wrzenia wody jest o około 170-220 C niższa od temperatury wrzenia mazutu. W wyniku tego część palna roztworu pozostaje jeszcze w stanie ciekłym, zaś woda przechodzi w stan pary. Dzięki temu kropla roztworu pod działaniem rozszerzającej się pary wodnej ulega rozczepieniu na części na drodze mikroeksplozji. Takie dodatkowe rozdrobnienie kropli zwiększa szybkość procesu spalania mazutu poprzez zwiększenie ogólnej powierzchni parujących elementów paliwa. Po drugie, następuje poprawa procesu mieszania paliwa z tlenem i wzrasta wpływ katalitycznego oddziaływania pary wodnej na spalanie mazutu. Cząsteczki wody podczas spalania roztworu mazutu uczestniczą w procesach utlenienia i redukcji cząsteczek gazów węglowodorowych. Rozpad termiczny cząsteczek wody powoduje powstanie rodników OH, które oddziaływają katalitycznie w procesie wstępnego utlenienia węglowodorów ciężkich i sadzy. W temperaturach większych od 850 C rozżarzone cząsteczki węgla w obecności rodnika OH łatwo ulegają utlenianiu do tlenku węgla. Przerwany zostanie w ten sposób proces powstawania sadzy w płomieniu i odkładania się części smolistych w postaci nagaru na powierzchniach ogrzewalnych komory spalania. Powstały w czasie termicznej dysocjacji cząsteczek wody wodór ulega spaleniu w jądrze płomienia powodując ogólny wzrost szybkości spalania oleju. Żagiew płomienia jest w wyniku tego bardziej zwarta i stabilna niż w przypadku spalania czystego mazutu czy oleju opałowego. W wyniku całkowitego i zupełnego spalania w spalinach nie ma sadzy i ciężkich węglowodorów aromatycznych a na powierzchniach ogrzewalnych nie odkłada się nagar. W wyniku stosowania koloidalnego roztworu olejowo - wodnego o wymieszaniu na poziomie cząsteczkowo - jonowym następuje zmniejszenie emisji tlenków azotu o 10-14%, dwutlenku siarki o 20-26%, tlenku węgla o 10-30%, sadzy o 10-30%. obniża się efekt korozyjnego oddziaływania pięciotlenku wanadu, tlenku sodu i innych tlenków na powierzchnie ogrzewalne kotła oraz zmniejsza się efekt zabrudzenia nisz ekranowych komory spalania. Dzięki stosowaniu koloidalnego roztworu olejowo - wodnego uzyskuje się całkowite i zupełne spalanie, poprawę wymiany ciepła w komorze spalania i zmniejszenie korozyjnego wpływu spalin na powierzchnie ogrzewalne kotła oraz oszczędność paliwa ciekłego. W wyniku tych efektów można realnie zmniejszyć zużycie oleju na przeprowadzenie konkretnych procesów technologicznych o 10-15% to znaczy spalanie koloidalnego roztworu olejowo - - wodnego jest bardziej ekonomiczne i ekologiczne niż spalanie czystego oleju. Wynalazki są bliżej określone w przykładach realizacji za pomocą rysunków 1-4, które przedstawiają schematy instalacji przygotowania koloidalnego roztworu wody w oleju dla spalania w palnikach olejowych. Sposób przygotowania paliwa ciekłego jest realizowany za pomocą instalacji przedstawionej na rysunku, fig. 1-4, złożonej z zespołów instalacji oznaczonych dużymi literami A, B, C. Zespół instalacji A jest przeznaczony do przygotowania olei ciężkich, zwłaszcza mazutu lub olei lekkich, zwłaszcza oleju opałowego lub napędowego do spalania. Zespół instalacji B jest przeznaczany do wytworzenia mieszaniny wody ze środkiem powierzchniowo czynnym o silnej grupie hydrofilowej i hydrofobowej zwanej emulgatorem. Stosuje się emulgator o nazwie handlowej rokafenol N-5 i chemicznej eter nonylo-
4 PL 203 251 B1 fenylo-polioksy etylenoglikolowy lub zamiennie środek o nazwie handlowej rokonol L-4 i nazwie chemicznej eterpolioksy etylenowy alkoholu. Do zbiornika w zespole A doprowadza się olej ciężki zwłaszcza mazut podgrzany do temperatury w zakresie 120-150 C lub olej lekki, zwłaszcza olej opałowy lub napędowy o temperaturze zbliżonej do pokojowej w granicach 20-30 C, a następnie olej z zespołu instalacji A o ciśnieniu 2-3,5 MPa lub 1-3,5 MPa lub 0,5-2 MPa zależnie od prowadzonego procesu wysokociśnieniowego lub niskociśnieniowego w ilości od 5.000-10.000 kg wprowadza się do mieszalnika. Jednocześnie do tego mieszalnika z zespołu instalacji B doprowadza się mieszaninę, którą otrzymuje się z wody w ilości 1000 litrów zmieszanej z emulgatorem w ilości 10 kg, przy czym woda i emulgator o ciśnieniu 0,1 MPa i temperaturze około 20 C. Wytworzony roztwór koloidalny ze zmieszania oleju, wody i emulgatora kieruje się z mieszalnika poprzez zespół instalacji C do spalania. Układ instalacji przygotowania paliw ciekłych do spalania jest złożony z zespołów instalacji oznaczonych na rysunku literami A, B, C. Zespół A pokazany na rysunku fig. 1-4 stosuje się do przygotowania olei ciężkich, zwłaszcza mazutu lub olei lekkich zwłaszcza oleju opałowego lub napędowego i przetłoczenia do mieszalnika do którego jest jednocześnie doprowadzona mieszanina, którą przygotowuje się z wody i emulgatora w zespole instalacji B. Powstały w mieszalniku roztwór koloidalny wody w oleju jest kierowany do zespołu instalacji przykotłowej C. Zespół A zawiera zbiornik 1 oleju, filtr 2, zawory 3 odcinająco - regulacyjne, pompę 4, manometr 5, termometr 6, przepływomierz 7, beipass 8 pompy olejowej oraz rurociąg 9 doprowadzający olej do mieszalnika. Jako mieszalnik jest stosowany ejektor strumienicowy 20 lub mieszalnik rurowy 20a lub zbiornik 20b z mieszadłem 21b. Zespół B pokazany na rysunku fig. 1, 3 i 4 zawiera zbiornik 10 wody z emulgatorem, mieszadło 11, pompę wodną 12, wodomierz 13, zawór zwrotny 14, manometr 15, termometr 16, zawory 17 odcinająco - - regulacyjne, beipass pompy wodnej 18 oraz rurociąg 19 doprowadzający mieszaninę wody z emulgatorem do ejektora strumienicowego 20 lub do mieszalnika rurowego 20b w którym powstaje roztwór koloidalny ze zmieszania oleju z mieszaniną wody i emulgatora. Zespół instalacji przykotłowej C pokazany na rysunku fig. 1 i 3 zawiera rurociąg 24 kierujący roztwór koloidalny z mieszalnika 20 lub z mieszalnika 20a do palników w komorze spalania oraz wpięte w ten rurociąg manometr 22, termometr 23 i zawór 21 regulacyjno - odcinający roztworu koloidalnego kierowanego do spalania. Natomiast zespół C2 na rysunku fig. 4 zawiera rurociąg 22 roztworu koloidalnego, pompę 23 beipass pompy 24, zawory 25 odcinająco - regulacyjne, manometr 26 i termometr 27. Zespół instalacji B1 - fig. 2 zawiera zbiornik 10 z mieszadłem 11, rurociąg 17, zawór 12 odcinająco - regulacyjny wody, wodomierz 13, zawór zwrotny 14, manometr 15 i termometr 16, natomiast zespół C1 zawiera rurociąg 18, zawór 19 regulacyjno - odcinający, manometr 21 i termometr 22. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób przygotowania paliw ciekłych do spalania w palnikach olejowych, znamienny tym, że proces wysokociśnieniowy i niskociśnieniowy przygotowania paliw z olei ciężkich, zwłaszcza z mazutu lub z olei lekkich, zwłaszcza z oleju opałowego lub napędowego prowadzi się w instalacji złożonej z zespołów instalacji (A), (B) i (C) i tak do zespołu (A) doprowadza się olej ciężki o temperaturze 120-150 C, a olej lekki o temperaturze zbliżonej do temperatury pokojowej w granicach 20-30 C po czym z zespołu (A) olej o ciśnieniu 2-3,5 MPa lub 1-3,5 MPa lub 0,5-2 MPa zależnie od prowadzonego procesu wysokociśnieniowego względnie niskociśnieniowego kieruje się w ilości od 5.000-10.000 kg do mieszalnika do którego jednocześnie wprowadza się mieszaninę powstałą w zespole instalacji (B) a otrzymaną ze zmieszania jednego tysiąca litrów wody ze środkiem powierzchniowo czynnym o silnej grupie hydrofilowej i hydrofobowej zwanej emulgatorem w ilości dziesięć kilogramów, o ciśnieniu 0,1 MPa i temperaturze około 20 C wody i oleju, po czym wytworzony roztwór koloidalny w mieszalniku z oleju wody i emulgatora, kieruje się do zespołu instalacji przykotłowej (C), przy czym stosuje się emulgator jako eter nonylo-fenylo-polioksy etylenoglikolowy lub zamiennie eter polioksy etylenowy alkoholu. 2. Układ instalacji przygotowania paliw ciekłych do spalania w palnikach olejowych, znamienny tym, że zawiera instalację złożoną z zespołów instalacji (A), (B), (C) z których zespół (A) zawiera zbiornik (1) oleju, filtr (2), zawory (3) odcinająco - regulacyjne, pompę (4), manometr (5), termometr (6) przepływomierz (7), beipass (8) pompy olejowej oraz rurociąg (9) doprowadzający olej do mieszalnika stosowanego jako ejektor strumienicowy (20) lub mieszalnik rurowy (20a) lub zbiornik (20b) z miesza-
PL 203 251 B1 5 dłem (21b) i do takiego samego mieszalnika jest wpięty zespół instalacji (B) zawierający zbiornik (10) wody z emulgatorem, mieszadło (11), pompę wodną (12), wodomierz (13), zawór zwrotny (14), manometr (15), termometr (16), zawory (17) odcinająco - regulacyjne, beipass pompy wodnej (18) oraz rurociąg (19) doprowadzający roztwór koloidalny wytworzony w mieszalniku do zespołu instalacji przykotłowej (C) zawierającego rurociąg (24) w który jest wpięty manometr (22), termometr (23) i zawór (21) regulacyjno - odcinający roztworu koloidalnego kierowanego do spalania. Rysunki
6 PL 203 251 B1
PL 203 251 B1 7
8 PL 203 251 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,00 zł.