Технические решения составных частей и узлов каталитических систем для производства и преобразования энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технические решения составных частей и узлов каталитических систем для производства и преобразования энергии

Важным элементом каталитических систем, применяемых для производства и преобразования энергии, является устройство каталитического сжигания, в рамках которого происходит процесс преобразования энергии топлива в тепловую энергию.

В настоящее время разработаны различные конструкции каталитических устройств сжигания [1-6]. Наибольшее количество конструкций включают в себя неподвижный слой каталитического наполнителя, через который пропускается сжигаемая смесь [1-5]. Однако из-за высокой экзотермичности реакции сжигания метана в первой части неподвижного слоя катализатора возникают «горячие точки» с температурой выше 1500 °С. При этом может произойти постепенное разрушение каталитического наполнителя и выход из строя всей каталитической системы. В связи с этим в ряде каталитических устройств сжигания используют высокотемпературные каталитические наполнители, в частности в работе [2] предлагается использовать спеченные металлические частицы, покрытые высокопористыми керамическими слоями. При этом использование высокотемпературных каталитических устройств оправданно в случае потребностей в высоком температурном уровне теплоносителя (до 500-600^оС), хотя в этом случае происходит значительное увеличение содержания оксидов азота (NOx) в уходящих газах.

Для снижения температуры каталитического наполнителя и исключения ситуаций его перегрева применяют контролируемый и распределенный ввод топлива и окислителя (кислорода). В частности в работе [3] предлагается каталитическое устройство сжигания с введением кислорода в две стадии. Однако использование таких каталитических устройств требует создания сложных систем распределенного ввода окислителя, либо топлива, а так же сложной системы регулирования количества вводимых в каждой части каталитической системы топлив и окислителя.

Для снижения температуры каталитического наполнителя до необходимых значений применяют дополнительное внешнее охлаждение. В частности в работе [1] описывается каталитические горелки с применением внешнего водяного охлаждения. Однако использование таких каталитических устройств создает разность температуры внутри наполнителя от центра к его краям, что связано с необходимостью интенсивного охлаждения устройства сжигания. В результате происходит охлаждение пристеночных слоев наполнителя вплоть до прекращения в них процесса горения.

В работе [4] предлагается для охлаждения наполнителя использовать дополнительное внутреннее охлаждение с помощью керамического трубчатого каталитического устройства сжигания с сопряженным по теплу внутренним алюминиевым теплообменником. Однако использование таких каталитических устройств требует создания сложных теплообменников и необходимостью предварительного сопряжения их по теплу.

Определенную группу представляют собой устройства, работающие не в стационарном режиме. В связи с образованием фронта горения (охлаждения) в неподвижном слое катализатора при низких концентрациях топлива в смеси был предложен реверс-процесс, позволяющий изменять направление движения фронта на обратное при изменении направления подачи смеси топлива-окислитель, в результате в устройстве создается нестационарный режим сжигания. [5] Однако подобные каталитические системы требуют сложной системы реверса потоков, которая должна быть способна функционировать при высоких температурах до 600 ^оС.

Промежуточное место между каталитическими устройствами, работающими в стационарном и режиме, и устройствами, работающими в нестационарном режиме, занимают устройства с псевдоожиженным слоем каталитического наполнителя.[6] В работе [6] описывается каталитический генератор тепла с кипящим слоем со встроенными теплообменными устройствами. Использование псевдоожиженного слоя позволяет организовать перемешивание каталитического наполнителя, но интенсивность этого перемешивания низкая. При увеличении слоя катализатора кипящим оказывается только верхняя часть слоя. Также в псевдоожжиженном слое возможно образование каналов, через которые может проходить значительное количество сжигаемой смеси практически не взаимодействуя с наполнителем.

Технические решения составных частей и узлов каталитических систем для производства и преобразования энергии

Для исключения подобных ситуаций и организации более интенсивного перемешивания наполнителя разработано техническое решение каталитического устройства сжигания с циркулирующим слоем катализатора, представленное на рисунке 1.

каталитический сжигание теплообменный циркулирующий

Рисунок 1 - Техническое решение каталитического устройства сжигания с циркулирующим слоем наполнителя

В разработанном каталитическом устройстве сжигания сжигаемая смесь подается снизу. Проходя через сетчатый отделитель нижней направляющей, сжигаемая смесь уносит с собой каталитический наполнитель. По мере движения по устройству происходит окисление органических составляющих и выделение теплоты. Затем поток прореагировавшей смеси газов уходит через сетчатый отделить верхней направляющей, а каталитический наполнитель отбрасывается сетчатым отделителем. Верхняя направляющая отводит наполнитель к периферии устройства. Под действием силы тяжести наполнитель падает на нижнюю направляющую, по которой он подводится к потоку сжигаемой смеси.

Ввиду интенсивного перемешивания наполнителя в устройстве сжигания поддерживаются стабильные температурные условия, а прогретый в потоке сжигаемой смеси наполнитель возвращается к поступающему на вход устройства холодному потоку сжигаемой смеси. В результате каталитический наполнитель в рамках устройства находится при рабочей температуре, чтобы повышает эффективность использования катализатора и повышает степень конверсии.

При этом возможно создать один типовой элемент каталитического устройства сжигания с циркулирующим слоем наполнителя, на базе которого путем последовательного или параллельного соединения можно собирать устройства требуемых параметров.

Для увеличения времени взаимодействия потока сжигаемой смеси с каталитическим наполнителем возможна организация совместного их перемещения по каталитическому устройству сжигания, аналогично системам пневматического транспорта [7]. Техническое решение каталитического устройства сжигания с сонаправленным движением наполнителя и сжигаемой смеси представлено на рисунке 2а. При таком способе взаимодействия сжигаемая смесь подается снизу устройства сжигания, потоком смеси увлекается каталитический наполнитель, и они совместно двигаются в процессе протекания реакции. В верхней точке каталитической устройства происходит отделение наполнителя и удаление уходящих газов. Затем наполнитель возвращается в начало устройства сжигания. При таком способе организации процесса окисления увеличивается время взаимодействия сжигаемой смеси с каталитическим наполнитель ввиду их совместного движения по устройству сжигания. А возврат прогретого наполнителя в начало устройства позволяет поддерживать стабильные температурные условия.

а) б)

Рисунок 2 -Каталитические устройства сжигания с сонаправленным (а) и противоположно направленным (б) движением наполнителя и сжигаемой смеси.

Техническое решение каталитического устройства сжигания с противоположным движением наполнителя и сжигаемой смеси представлено на рисунке 2б. При таком способе взаимодействия сжигаемая смесь подается снизу устройств, а каталитический наполнитель сверху. Под действием силы тяжести каталитический наполнитель перемещается по устройству сверху вниз навстречу восходящему потоку сжигаемой смеси. В верхней точке каталитической устройства происходит удаление уходящих газов, а в нижней отделение наполнителя. Затем наполнитель возвращается в верхнюю часть устройства. При таком способе организации процесса окисления увеличивается площадь взаимодействия сжигаемой смеси с каталитическим наполнителем, ввиду того, что смесь в процессе движения взаимодействует с большим количеством наполнителя. А противоположное движение сжигаемой смеси и каталитического наполнителя позволяет поддерживать равномерные температурные условия в всем устройстве.

Для реализации приведенных принципов функционирования (рисунки 2а, 2б) в рамках одного устройства было предложено техническое решение каталитического устройства сжигания с сонаправленным и противоположным движением наполнителя и сжигаемой смеси (Рисунок 3).

В рамках каталитического устройства выделяется две зоны: I - зона сонаправленного движения наполнителя и сжигаемой смеси, II - зона противоположного движения. В каждую из зон подается сжигаемая смесь по отдельному трубопроводу для исключения самопроизвольного перераспределения смеси между каналами. В процессе функционирования в нижней части устройства накапливается каталитический наполнитель, слой наполнителя препятствует смешиванию двух потоков сжигаемой смеси. При подаче сжигаемой смеси по первому трубопроводу накопившийся наполнитель увлекается в зону I, в которой при сонаправленном движении наполнителя и смеси происходит реакция окисление топлива с выделением теплоты. После выхода из зоны I поток перестает увлекать за собой наполнитель, и он попадает в зону II. В зоне II наполнитель под действием силы тяжести возвращается в нижнюю часть устройства и при этом взаимодействует с противоположно направленным потоком сжигаемой смеси 2. В верхней точке устройства потоки прореагировавших смесей 1 и 2 соединяются и удаляются через сетчатую преграду.

Рисунок 3 - Техническое решение каталитического устройства сжигания с сонаправленным и противоположным движением наполнителя и сжигаемой смеси

При таком конструктивном исполнении устройства сжигания, достаточно просто решена задача возврата наполнителя в реакционную зону (при условии выбора I или II зоны за основную) и обеспечивается максимальное время взаимодействия смеси и наполнителя (взаимодействие даже в зоне возврата наполнителя). Организация процесса горения на всех этапах движения катализатора позволяет обеспечить самые равномерные и стабильные температурные условия из представленных каталитических устройств.

Вывод

Использование разработанных технических решений каталитических устройств позволяет интенсифицировать процесс окисления, а так же обеспечить равномерные и стабильные условия протекания реакции, что позволяет эффективно использовать их в каталитических системах для производства и преобразования энергии при анаэробной переработке органических отходов.

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Соглашение № 14.В37.21.1490).

Библиографический список

1. Лукьянов, Б. Н. Экологически чистое окисление углеводородных газов в каталитических нагревательных элементах / Б. Н. Лукьянов, Н. А. Кузин, В. А. Кириллов, В. А. Куликов, В. Б. Шигаров, М. М. Данилова // Химия в интересах устойчивого развития. - 2001. - №9. - с. 667 - 677

2. van Giezen, J. C. The development of novel metal-based combustion catalysts / J.C. van Giezen, M. Intven, M. D. Meijer et al. // Catal. Today. - 1999. - № 47. - p. 191-197

3. Zhi-yong, P. A novel two-stage process for catalytic oxidation of methane to synthesis gas / P. Zhi-yong, D. Chao-yang, S. Shi-kong // Ranliao Huaxue Xuebao. - 2000. - № 4. - p. 348.

4. Theophilos, P. Development of a novel heat-integrated wall reactor for the partial oxidation of methane to synthesis gas / P. Theophilos, V. Xenophon // Catal. Today. - 1998. - № 46. - p. 71-81.

5. Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН - РЕВЕРС-ПРОЦЕСС - Каталитическая очистка отходящих газов [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.catalysis.ru/block/index.php?ID=3&SECTION_ID=1483, свободный.

6. Ismagilov, Z. R. Fluidized bed catalytic combustion / Z. R. Ismagilov, M. A. Kerzhentsev // Catal. Today. - 1999. - № 47. - p. 339-346.

7. Зарницына Э. Г. Вентиляционные установки и пневмотранспорт / Э. Г. Зарницына, О. Н. Терехова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2011. - 228с.

Размещено на Allbest.ru