Технические науки/ 5

Технические науки/ 5. Энергетика

к.т.н. Медяков А.А., аспирант Каменских А.Д., к.т.н. Онучин Е.М.

Поволжский государственный технологический университет

Каталитическое устройство сжигания для утилизации биогаза

Важным элементом каталитических систем, применяемых для производства и преобразования энергии при утилизации биогаза, является устройство каталитического сжигания, в рамках которого происходит процесс преобразования энергии топлива в тепловую энергию. [1]

В настоящее время разработаны различные конструкции каталитических устройств сжигания [2-7]. 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…600оС), хотя в этом случае происходит значительное увеличение содержания оксидов азота (NOx) в уходящих газах.

Для организации более интенсивного перемешивания наполнителя разработано техническое решение каталитического устройства сжигания с циркулирующим слоем катализатора, представленное на рис. 1. 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.

$C:\Users\Andrey\Desktop\МКТН Отчет Итоговый\ОТЧЕТ1\-3. Разработка схемно-конструктивных решений\РИсунки нов\Цирк система ри1.jpg$

Рис. 1. Техническое решение каталитического устройства сжигания с циркулирующим слоем наполнителя

При этом возможно создать один типовой элемент каталитического устройства сжигания с циркулирующим слоем наполнителя (рис. 1), на базе которого путем последовательного или параллельного соединения можно собирать устройства требуемых параметров.

Последовательное соединение каталитических устройств сжигания с циркулирующим слоем наполнителя позволяет обеспечить более полную конверсию органических составляющих биогаза. При этом поток реагирующей смеси последовательно проходит через циркулирующие слои наполнителя. При таком способе соединения верхняя направляющая первого походу элемента является нижней направляющей последующего элемента и т.д. При этом в каждом элементе системы возможно организовать наиболее оптимальный процесс перемешивания наполнителя, зависящий от количества наполнителя, расхода смеси и размеров элемента.

Параллельное соединение каталитических устройств сжигания с циркулирующим слоем наполнителя позволяет обеспечить большую производительность устройства сжигания. При этом поток реагирующей смеси делится по числу соединенных параллельно элементов и по частям направляется в элементы устройства сжигания. Последовательно проходит через циркулирующие слои наполнителя. При таком способе соединения возможно гибкое масштабирование под любой расход сжигаемой смеси с помощью оптимально настроенных под определенный расход элементов.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что использование разработанного технического решения каталитического устройства окисления биогаза 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.

Литература:

1. Медяков А.А. Повышение эффективности разрабатываемых каталитических систем для утилизации биогаза / А.А. Медяков, Е.М. Онучин, А.Д. Каменских // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2012. – №04(78). – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2013/07/pdf/26.pdf

2. 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

3. 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

4. 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.

5. 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.

6. 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.

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