CC BY
52
УДК: 66.097.3
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ И УЗЛОВ КАТАЛИТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Медяков Андрей Андреевич к.т.н.
UDC: 66.097.3
TECHNICAL SOLUTIONS OF COMPONENTS AND PARTS OF CATALYTIC SYSTEMS FOR ENERGY PRODUCTION AND CONVERSION
Medyakov Andrey Andreevich Cand.Tech.Sci.
Онучин Евгений Михайлович к.т.н., доцент
Каменских Александр Дмитриевич инженер
Поволжский государственный технологический университет, Йошкар-Ола, Россия
Приводятся описание существующих каталитических устройств сжигания, обоснование необходимости совершенствования технических решений составных частей и узлов и предложенные авторами каталитических устройств сжигания с циркулирующим слоем наполнителя
Ключевые слова: КАТАЛИТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО СЖИГАНИЯ, КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НАПОЛНИТЕЛЬ, ПСЕВДООЖИЖЕННЫЙ СЛОЙ, ЦИРКУЛИРУЮЩИЙ слой
Onychin Evgeny Mihailovich Cand.Tech.Sci., assistant professor
Kamenskih Aleksandr Dmitrievich engineer
Volga State University of Technology, Ioshkar-Ola, Russia
The article provides a description of existing catalytic burning units, the rationale for improving the technical solutions of components and parts, and the catalytic burning unit proposed by the authors with a circulating bed of filler
Keywords: CATALYTIC BURNING UNIT, CATALYTIC FILLER, FLUIDIZED BED, CIRCULATING BED
Введение
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°С), хотя в этом случае происходит значительное увеличение содержания оксидов азота (ЫОх) 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 °С.
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.
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.
к
ц
ф
I-
I
с;
о
с
го
л
I-
го
О]
со
со
о
00
а) б)
Рисунок 2 -Каталитические устройства сжигания с сонаправленным (я) и противоположно направленным (б) движением наполнителя и сжигаемой смеси.
Техническое решение каталитического устройства сжигания с противоположным движением наполнителя и сжигаемой смеси представлено на рисунке 26. 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, 26) 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 /, 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.
.0
со
аз
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
Научный журнал КубГАУ, №91(07), 2013 года 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. С. 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.
References
1. Luk'janov, В. N. Jekologicheski chistoe okislenie uglevodorodnyh gazov v kataliticheskih nagrevatel'nyh jelementah / B. N. Luk'janov, N. A. Kuzin, V. A. Kirillov, V. A. Kulikov, V. B. Shigarov, M. M. Danilova // Himija v interesah ustojchivogo razvitija. - 2001. - №9. - s. 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. Institut kataliza im. G. K. Boreskova SO RAN - REVERS-PROCESS - Kataliticheskaja ochistka
othodjashhih gazov [Jelektronnyj resurs] - Rezhim dostupa:
http://www.catalysis.ru/block/index.php?ID=3&SECTION_ID=1483, svobodnyj.
6. Ismagilov, Z. R. Fluidized bed catalytic combustion / Z. R. Ismagilov, M. A. Kerzhentsev // Catal. Today. - 1999. - № 47. - p. 339-346.
7. Zarnicyna Je. G. Ventiljacionnye ustanovki i pnevmotransport / Je. G. Zamicyna, O. N. Terehova. - Barnaul: Izd-vo AltGTU, 2011. - 228s.
