CC BY
29
УДК 542.943.7
А. В. Неведров, С. Р. Хайрулин, А. В. Папин, Е. В. Жбырь, З. Р. Исмагилов
СИНТЕЗ КАТАЛИЗАТОРА КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ГАЗООБРАЗНОГО ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ДЛЯ КОГЕНЕРАЦИОННЫХ
УСТРОЙСТВ
Современный этап развития энергетики характеризуется переходом к увеличению вклада децентрализованных систем энергоснабжения, позволяющих одновременно вырабатывать электрическую и тепловую энергию с высоким общим КПД, достигающим 85-90 %. В связи с истощением запасов органического топлива особое значение имеют разработки, в которых в качестве топлива используется органическое сырье, например биомасса, являющаяся возобновляемым источником энергии. Планируемый рост использования биомассы в различных областях народного хозяйства страны вызван необходимостью повышения экономической эффективности выработки электрической и тепловой энергии в условиях постоянного роста цен на традиционные виды топлива [1, 2].
Одним из возможных направлений решения этой задачи является газификация органического сырья (древесины, растительных отходов) с получением газообразного энергоносителя и его использование в эффективных когенеративных системах, вырабатывающих одновременно электрическую и тепловую энергию.
Для решения этой проблемы были проведены исследования по разработке технологии для эффективного и экологически чистого производства электрической и тепловой энергии из органического сырья (растительных отходов).
Данная технология должна включать в себя следующие стадии:
1. переработка органического сырья в газообразный энергоноситель;
2. кондиционирование энергоносителя (удаление смолистых веществ и пылевидных частиц, охлаждение);
3. выработка электроэнергии в генераторе, работающем с газопоршневым двигателем, оптимизированном для работы с полученным энергоносителем;
4. выработка теплоты в виде горячей воды и/или нагретого воздуха.
Новизна предлагаемой технологии заключается в применении эффективных каталитических процессов для очистки энергоносителя от смол и очистки выхлопных газов от токсичных компонентов и в использовании блока получения тепла из энергоносителя на основе каталитического теплогенератора, позволяющего гибкое регулирование в широких пределах соотношения между получаемой электрической и тепловой энергией.
Для получения газообразного энергоносителя
из биомассы предлагается использование процесса газификации.
В теплогенераторе будет происходить экологически чистое двухстадийное сжигание энергоносителя. На первой стадии - сжигание энергоносителя в пламени горелки в условиях недостатка кислорода для подавления образования токсичных оксидов азота. На второй стадии продукты сгорания будут разбавляются воздухом и полученный нагретый горячий газ с температурой 500-700 °С будет подаваться на каталитическую кассету, представляющую собой сборный элемент из блочных керамических катализаторов сотовой структуры, где должно происходить дожигание продуктов неполного сгорания и нейтрализация микропримесей оксидов азота до санитарных норм рабочих помещений. После кассеты очищенный газ необходимо дополнительно разбавлять воздухом и полученный газ с температурой 90-110 °С использовать непосредственно в качестве теплоносителя для отопления помещений. Тепловой КПД каталитического теплогенератора будет превышать 99 %, поэтому его использование может увеличить общий КПД энергопреобразователя до значений более 90 % (относительно исходной калорийности органического сырья) [3-5].
Для стадии конверсии органического сырья в когенерационных устройствах был синтезирован гранулированный магний-хром-алюмооксидный катализатор. Этот катализатор предназначен для конверсии органического сырья путем каталитического сжигания при температурах 500-750 °С. Разработка методики синтеза катализатора базировалась на результатах описанных ранее в [6-8].
Катализатор получали путем пропитывания гранулированного алюмооксидного носителя раствором бихромата магния, с последующей сушкой и термообработкой. Пропитку проводили по вла-гоемкости носителя. Данная методика позволяет до минимума сократить потери дорогостоящих солей (активный компонент) и обеспечивает отсутствие сточных вод.
Для охлаждения и очистки энергоносителя был разработан узел кондиционирования, включающий каталитический реактор для удаления смолы с оксидными марганецлантановыми блочными сотовыми катализаторами. Эффективность разработанных катализаторов для удаления смолы должна составлять более 90 %.
Оксидный марганецлантановый блочный катализатор получали методом пропитки блочного керамического носителя в избытке водного рас-
твора смеси азотнокислых солей марганца и лантана с последующей сушкой горячим потоком воздуха и прокаливанием при 550 оС.
Характеристика катализатора представлена в табл. 1.Характеристика носителя, используемого для получения катализатора кондиционирования газообразного теплоносителя, приведена в табл. 2.
Блочный носитель получали методом экструзии из пасты, содержащей компоненты предшественников оксида алюминия и алюмосиликата. Носитель сушили и прокаливали в муфельной печи. Окончательная температура прокаливания составляла 800-1000 оС, продолжительность - 4 часа.
Технологический процесс изготовления катализатора на блочном керамическом носителе включает следующие стадии:
- подготовка блоков к пропитке;
- приготовление пропиточных растворов;
- пропитка блоков;
- сушка блоков;
- прокаливание блоков.
Готовые блоки после торцевания и прокали-
вания продували воздухом для удаления пыли и других механических загрязнений.
Для приготовления 1 л раствора
Мп(М03)2-бИ20 взвешивали на технических весах 1420 г азотнокислого марганца, растворяли в дистиллированной воде, переносили раствор в мерную колбу на 1 л и доводили водой до метки. Концентрация Мп в растворе составляла 0,27 г/мл.
Для приготовления 1 л раствора
Ьа(М03)3-бИ20 взвешивали на технических весах б20 г азотнокислого лантана, растворяли в дистиллированной воде, переносили раствор в мерную колбу на 1 л и доводили водой до метки. Концентрация Ьа в растворе составляла 0,20 г/мл.
Для приготовления рабочего раствора смешивали 500 мл раствора Мп(М03)2-бИ20 с концентрацией Мп - 0,27 г/мл и 500 мл раствора
Ьа(К03)3-бИ20 с концентрацией Ьа - 0,20 г/мл.
В рабочем растворе концентрация элементов составляла: [Мп] - 0,135 г/мл; [Ьа] - 0,10 г/мл.
Блоки помещали в емкость с рабочим раствором и проводили пропитку в условиях, обеспечи-
Таблица 1. Характеристика катализатора
№ пп Наименование показателей Норма
1. Внешний вид* Размер стороны канала, мм не менее Блок с прямоугольным сечением с прямоугольными каналами темнокоричневого или черного цвета 2,2
2. Механическая прочность на раздавливание в статических условиях, МПА не менее: 10
3. Химический состав, % масс содержание Мп203 Ьа203 4,5+0,5 2,5+0,5
4. Удельная поверхность, м2/г 10+2
5. Активность катализатора, оцениваемая по температуре 50 %-го превращения, оС 1 об.% СО 1 об.% бутана не более 200 не более 400
Таблица 2. Характеристики носителя
№ п/п Наименование показателей Норма
1. Внешний вид Размер стороны канала, мм не менее Масса блока, г Блок с прямоугольным сечением с прямоугольными каналами белого или розоватого цвета. 2,2 300+30
2. Механическая прочность на раздавливание по образующей в статических условиях, МПА не менее: 9
3. Удельная поверхность, м2/г не менее 10
4. Влагоемкость, см3/г 0,20+0,05
4. Фазовый состав - а-ЛІ20з; - а-8і02 (кварц); - М^Ю3
вающих постоянную циркуляцию раствора через каналы блоков. Допускается пропитка в статических условиях при периодическом переворачивании блоков в растворе. Пропитку проводили в течение 30 мин, затем удаляли раствор из каналов блоков встряхиванием и обдувом сжатым воздухом.
После пропитки и удаления избытка пропиточного раствора влажные блоки обвертывали полиэтиленовой пленкой, оставляя открытыми торцы блоков, пленку закрепляли с двух сторон резиновыми кольцами. Блоки ставили на металлические решетки и помещали в сушильный агрегат, где под решетки подавали восходящий поток нагретого до 70 оС воздуха. Во время сушки, продолжительностью 3-4 часа, блоки периодически переворачивали для обеспечения равномерного распределения активного компонента по геометрической поверхности блоков. Затем снимали обертку и досушивали блоки в тех же условиях.
После сушки блоки прокаливали в муфельной печи, поднимая температуру от комнатной до 550 оС со скоростью 2 град/мин. Продолжительность прокаливания при 550 оС составляла 4 часа.
После кондиционирования очищенный и охлажденный энергоноситель будет поступать в узел когенерации - газопоршневой теплоэлектроагре-
гат, обеспечивающий электрический КПД не менее 35 % с теплообменниками, извлекающими тепло из горячих потоков охлаждающей жидкости, смазочного масла и выхлопного газа. При этом будет обеспечиваться КПД тепловой составляющей на уровне не менее 40 % и общий КПД -более 80 %.
Для возможности гибкого регулирования соотношения между тепловой и электрической мощностью узел когенерации необходимо комплектовать блоком получения тепла из энергоносителя на основе каталитического теплогенератора [2]. В том случае, если необходимая тепловая мощность будет существенно превышать необходимую электрическую мощность, нагрузку на газопоршневой электроагрегат необходимо уменьшить, и основную часть энергоносителя направлять в теплогенератор
Предлагаемый комплексный подход к разработке эффективных и экологичных автонономных энергопреобразователей с гибким регулированием соотношения тепловой и электрической составляющих обеспечит решение проблемы эффективного использования органического сырья в малой энергетике. Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.0139.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Si-Doek Oh. Optimal planning and economic evaluation of cogeneration system / Si-Doek Oh, Ho-Jun Lee, Jung-Yeul Jung, Ho-Young Kwak // Energy, Volume 32, Issue 5, May 2007, Pages 760-771.
2. Salgado, Fabricio. Short-term operation planning on cogeneration systems / Fabricio Salgado, Pedro Pedrero // A survey Electric Power Systems Research, Volume 78, Issue 5, May 2008, Pages 835-848.
3. Исмагилов, З.Р. Катализаторы для эффективного сжигания топлива / З.Р. Исмагилов, М.А. Керженцев, С. А. Яшник, Н.В. Шикина // Российские Нанотехнологии, 2010. - Т.4. - № 11-12. - С. 32-34.
4. Патент РФ № 2266469 пр. 16.06.04. Устройство для беспламенного сжигания сбросных газов. Исмагилов З.Р., Хайрулин С.Р., Мазгаров А.М., Пармон В.Н.
5. Патент РФ № 2185238, пр. 19.02.01., БИ №20, 19.02.02. Катализатор высокотемпературного сжигания углеводородного топлива (варианты). Цикоза Л.Т., Яшник С.А., Исмагилов З.Р., Шкрабина Р.А., Корябкина Н.А., Кузнецов В.В.
6. Патент РФ № 2085284, пр. 9.11.95 г. Способ приготовления гранулированного окисномедного катализатора полного окисления. Сазонов В.А., Шкрабина Р.А., Александров В.Ю., Исмагилов З.Р., Ко-рябкина Н.А.
7. А.с. СССР 1419062, пр. 18.08.86 г. Способ получения гранулированного активного оксида алюминия. Шепелева М.Н., Шикина Н.В., Шкрабина Р.А., Исмагилов З.Р., Андриевская И.П., Воробьев Ю.К., Колпакова Т.А., Бакаев А.Я. Опубл. БИ N 10, 1994 г.
8. А.с.СССР № 1536569, пр. 4.01.88 г. Способ получения алюможелезооксидного катализатора. Кириченко О.А., Исмагилов З.Р., Башин В.И., Баранник Г.Б., Овсянникова И.А., Садовникова М. А., Петри-щенко Т. С. Опубл. БИ N 1, 1994 г.
□ Авторы статьи:
Исмагилов Зинфер Ришатович , доктор хим.наук, член-корр. РАН, зав.каф. углехимии, пластмасс и инженерной защиты окружающей среды, директор ИУХМ СО РАН. Email: Isma-gilovZR@iccms.sbras.ru
Неведров Александр Викторович, канд. техн. наук, доцент, доцент каф. химической технологии твердого топлива КузГТУ, ЕтаЛ:пеуе^оу 1978@гатЬ1ег. га.
Хайрулин Сергей Рифович -кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института углехимии и химического материаловедения СО РАН, ЕтаЛ^ега 59@таЛ.т.
Папин
Андрей Владимирович , канд.техн. наук, доцент, начальник научно-инновационного управления КузГТУ, Етаі1:торіпаМгеу@гашЬ1ег.ги.
Жбырь Елена Викторовна , канд. техн. наук, доцент каф. химической технологии твердого топлива КузГТУ, Email: elena6455@maul.ru.
УДК 547.211:543.544
Р.Р. Потокина, Н.В. Журавлева, З.Р. Исмагилов
ИЗУЧЕНИЕ КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА ГАЗА, ИЗВЛЕЧЕННОГО ИЗ УГОЛЬНОГО КЕРНА
Прогнозирование газоносности угольных пластов и изучение компонентного состава газа, извлеченного из угольного керна, актуальны при оценке запасов и добычи угольного метана, а также создании безопасных условий труда на угледобывающих шахтах.
Основными компонентами газа угольных месторождений Кузбасса являются метан, азот и диоксид углерода. Для ряда месторождений отмечено присутствие тяжелых углеводородов метанового ряда и водорода от 0,0001 % об. до 30 % об. [1]. С увеличением глубины горных работ содержание гомологов метана в угольно-породном массиве и в горных выработках возрастает. Присутствие тяжелых углеводородов в рудничной атмосфере даже в незначительных количествах снижает предел взрываемости горючих газов. Пределы взрывае-мости углеводородов в смеси с воздухом находятся в следующих интервалах: для метана от 5,0 до 16,0 %, для этана от 3,2 до 12,5 %, для пропана от 2,1 до 9,5 %, для бутана от 1,5 до 8,5 % [2]. Следо-
вательно, определение их в составе газа угольных месторождений имеет важное практическое значение.
Целью данной работы является изучение состава газа, извлеченного из угольного керна на различных этапах дегазации.
Исследование состава газа угольных месторождений в лабораторных условиях согласно [2] включает в себя два этапа - извлечение газа из керноприемника на термовакуумной дегазационной установке и анализ компонентного состава.
Извлечение газа из угольного керна проводилось на термовакуумной установке конструкции ПГО «Донбассгеология» в соответствии с [3]. Порядок работ по извлечению газа заключается в следующем. Проба угля, отобранная на скважине в герметичные металлические сосуды или керно-газонаборники (КГН) доставляется в лабораторию для дальнейшего исследования. На первом этапе лабораторных работ проверяется герметизация КГН, непредставительные пробы выбраковывают-
Таблица 1. Основные нормативные документы и диапазоны измеряемых концентраций компонентов
природного горючего газа
Определяемый компонент ФР.1.31.2005.01526 [6] ГОСТ 31371.3-2008 [7] ГОСТ 31371.7-2008 [5]
Диапазон измеряемых концентраций, %
О2 0 - 100 0 - 0,5 0,005 - 2,0
n2 0,1 - 40 0,005 - 15,0
CO 0,0001 - 12 - -
<N O C 0,1 - 30 0,1 - 30 0,005 - 10,0
H2 0,0001 - 12 0,01 - 0,5 0,001 - 0,5
He 0,01 - 0,5 0,002 - 0,5
■'Г H C 0,1 - 100 40 - 99,97
C2H6 0,00001 - 0,1 0,001 - 15,0
C3H8 0,00001 - 0,1 0,001 - 6,0
n-C4H10 0,00001 - 0,1 0,001 - 4,0
i-C4Hj0 0,00001 - 0,1 0,001 - 4,0
n-C5H12 0,00001 - 0,1 0,001 - 2,0
i-C5H12 0,00001 - 0,1 0,001 - 2,0
n-C6H14 0,00001 - 0,1 0,0001 - 1,0
