автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Разработка процесса каталитического окисления низкоконцентрированного шахтного метана в режиме реверса потока газа с получением высокопотенциального тепла

На правах рукописи ОД УДК 622 4'1.33.004.8

. I и.О.С

гогин Леонид Львович

РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ НИЗКОКОНЦЕНТРИРОВАННОГО ШАХТНОГО МЕТАНА В РЕЖИМЕ РЕВЕРСА ПОТОКА ГАЗА С ПОЛУЧЕНИЕМ ВЫСОКОПОТЕНЦИАЛЬНОГО

ТЕПЛА

Специальности 05 17 08,- процессы и аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск-1996

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Институте катализа им.Г.К.Борескова Сибирского отделения Российской Академии наук.

Научный руководитель: доктор технических наук

НОСКОВ Александр Степанович Научный консультант: доктор технических наук,профессор МАТРОС Юрий Шаевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

БАБКИН Вячеслав Степанович кандидат технических наук МАКАРЕНКО Михаил Григорьевич

Ведущая организация: Институт угля СО РАН (г.Кемерово)

Защита диссертации состоится ОЫлЩ тээб г. в •1С- часов на заседании диссертационного совета К 002.13.01. в ордена Трудового Красного. Знамени Институте катализа им.Г.К.Борескова СО РАН по адресу:630090,Новосибирск-90,пр.Акад.Лаврентьева,5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института катализа

им.Г.К.Борескова СО РАН.

Автореферат разослан "М." 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук ^

В.А.Семиколенов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время во всех промышленно развитых странах ведется поиск нетрадиционных источников энергии, п том числе основанных на утилизации газовых выбросов различных промышленных производств. Одним из таких источников энергии является метан угольных шахт. Мировые ресурсы метана угольных месторождений оцениваются в пределах 66 - 100 трлн.м3 . Как источник энергии по своим запасам метан . угольных месторождений рассматривается на третьем-четвертом месте после нефти , угля и природного газа . Кроме того, в настоящий момент наблюдается накопление метана в атмосфере, что может вести к значительному парниковому эффекту и нарушению озонового слоя. В связи с этим понятна актуальность изучения всех возможных путей утилизации метана угольных шахт и предотвращения его выбросов в атмосферу.

До сих пор разрабатывались главным образом способы утилизации концентрированного (с содержанием метана более 30% об.) шахтного газа , тогда как более 85% метана угольных шахт выделяется с газами , содержание его в которых не превышает 2,5% сб. Способов, нашедших широкое промышленное применение с целью утилизации таких низкокалорийных газов, на настоящий момент нет .

Цель работы. Настоящая работа посвящена разработке способа утилизации низкокалорийных метансодержащих газов с получением высокопотенциального тепла (ВПТ) на основе предложенного в Институте катализа СО РАН метода проведения каталитических процессов в режиме периодического реверса потока газа в слое катализатора ("реверс-процесса") . Работа включает в себя следующие этапы:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование реверс-процесса (РП) окисления метано-воздушных смесей (МВС) с получением ВПТ.

2. Подбор катализаторов для использования в установках утилизации шахтного метана на основе разрабатываемого процесса.

Научная новизна. Разработан новый способ получения ВПТ из низкокалорийных метансодержащих газов с использованием РП. Проведены

теоретические исследования данного способа с использованием метода математического моделирования. Показано, что возможно устойчивое ведение РП окисления МВС с концентрацией 0.5-2.0% с утилизацией до 70-95% тепла реакции при температурах 800-1000 °С. Изучены зависимости основных показателей процесса (степени утилизации тепла, максимальной температуры в слое катализатора, времени полуцикла) от технологических параметров. Экспериментально показана осуществимость РП с получением ВПТ и возможность получения максимальных температур 800-1000°С в случае окисления МВС с концентрацией метана 0.5-2% об. Изучено изменение активности ряда катализаторов глубокого окисления в условиях периодически изменяющихся и высоких температур.

Практическая ценность. Разработанный способ позволяет использовать

низкоконцентрированные (0.5-2%об.) метановые выбросы угольных шахт с

/

получением теплй в виде горячей воды, водяного пара или электроэнергии. В работе выбрана для промышленного использования технологическая схема РП с отводом части горячего газа из центра слоя катализатора. Подобран термостабильный алюмомарганцевый катализатор глубокого окисления (ИКТ-12-40) для опытно-промышленных испытаний способа. Разработаны технические рекомендации по созданию опытно-промышленной установки получения теплофикационной воды при переработке метано-воздушных выбросов на одной из шахт Кузбасса.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на 1-м Всесоюзном совещании по проблемам дезактивации катализаторов (г.Уфа,1985) , 3-й Всесоюзной конференции "Нестационарные процессы в катализе" (г.Новосибирск, 1987), на конкурсе прикладных работ Сибирского отделения АН СССР (1987 г., 3 место), на 1-й и 2-й Международных конференциях "Нестационарные процессы в катализе'' (г.Новосибирск.1990 г.; г.Сент-Луис,США, 1995 г.), на 1-м Международном конгрессе "Environmental Catalysis" (г.Пиза, Италия, 1995 г.). Личный вклад соискателя. Автор участвовал в постановке задач работы и исследовании с помощью метода математического моделирования основных закономерностей получения ВПТ на основе РП. Самостоятельно выполнил

экспериментальные исследования технологических схем РП с получением тепла на пилотной установке и провел испытания и подбор катализаторов глубокого окисления метана, а также участвовал в разработке технических рекомендаций по созданию опытно-промышленной установки. Публикации. По результатам диссертации опубликовано 10 печатных работ. Структура и объем работы. Диссертация изложена на 129 стр. машинописного текста и состоит из введения, 4-х глав, списка использованной литературы (включающего 127 наименований), выводов и приложения. Диссертация содержит 21 таблицу и 23 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой гладе дается литературный обзор по распределению запасов шахтного метана по различным странам мира , фактической его добычи и возможным способам использования, в том числе способу глубокого каталитического окисления. Приводятся также литературные данные по катализаторам глубокого окисления метана. На основании анализа литературных данных формулируются основные задачи диссертационной работы, которые приведены выше.

Во второй главе дается описание каталитического РП с получением ВПТ и возможных технологических схем для его реализации. РП осуществляется следующим образом. Перед пуском производится предварительный разогрев неподвижного слоя катализатора до температур, при которой скорость химического превращения имеет значительную величину (для метана-400-450°С). Затем в слой без предварительного разогрева подается исходная МВС. При этом участок слоя катализатора, прилегающий ко входу , начнет остывать , а в центральной части слоя будет происходить интенсивное выделение тепла, обусловленное протеканием реакций химического превращения (в рассматриваемом случае - реакции окисления метана до углекислоты и воды). После прохождения реактора прореагировавший газ выбрасывается в атмосферу . Через определенное время производят (во избежание полного остывания слоя катализатора и прекращения процесса химического

превращения) изменение направления подачи исходной МВС на противоположное. После этого начнет остывать тот участок слоя катализатора , который в предыдущем полуцикле был выходным , а участок слоя , бывший ранее входным , начнет нагреваться . Через несколько циклов изменения направления подачи реакционной смеси в слое катализатора устанавливаются (при условии неизменности параметров исходной реакционной смеси) периодически повторяющиеся температурные и концентрационные поля, медленно перемещающиеся в направлении потока газа. Поскольку при описанном способе ведения процесса катализатор по торцам слоя играет в основном роль регенератора тепла, то здесь его обычно заменяют на более дешевую инертную насадку. Максимальные температуры в слое катализатора в РП могут в несколько раз превышать адиабатический разогрев смеси, поэтому оказывается возможным отводить часть тепла реакции из центра слоя катализатора, из зоны высоких температур. Таким образом использование РП позволяет получать Бысокопотенциальное тепло даже из низкокалорийных газов.

Принципиальная схема РП с получением тепла представлена на рис.1 (схема I). В этой схеме реакционная смесь охлаждается в теплоутилизаторе (котле-утилизаторе или теплообменнике). После теплоутилиэатора (ТУ) реакционная смесь отдает оставшееся тепло во втором по ходу слое катализатору и инертной насадке и выбрасывается в атмосферу . Для регулирования съема тепла предусмотрена байпасная линия, позволяющая отводить часть горячего газа мимо ТУ.

Возможна также схема регулирования отвода тепла из центра слоя катализатора без байпаса (рис.2;схема II ). Для этого в схеме II часть горячего газа после первого по ходу слоя катализатора отводится в ТУ и далее в атмосферу. Другая часть горячего газа поступает на второй по ходу слой, где отдает тепло катализатору и инертной насадке. В данной схеме направление подачи газа в ТУ, в отличие от схемы I, постоянно.

в ашо-

сферу

исходшй га л

Рис.1.Технологическая схема I реверс-процесса с утилизацией тепла реакции: 1,2-реакторы; 3-теплоутилизатор; 4,4'-переключающие клапана; 5.5'-заслонки, регулирующие поток газа через байпас и теплоутилизатор.

£

/— п.. 5 ^_ —•)}—атмосферу

УК : .К':

1

И: в атмосферу т

г

исходный газ

Рис.2.Технологическая схема II реверс-процесса с утилизацией тепла реакции: 1,2-реакторы; 3-теплоутилизатор; 4 - переключающие клапана; 5,5'-регулирующие заслонки.

Для теоретического изучения обеих названных технологических схем было проведено их математическое моделирование.

Математическое моделирования. При описании нестационарных тепловых и массообменных процессов в слое катализатора использовали систему дифференциальных уравнений, представляющих собой законы сохранения тепла и вещества в газовой и твердой фазах слоя: (1 -e)*cK*¿)e/at=xac*cí2e/aiJ-a'Syfl*(e-T)+Q*w(e,y)

-u*Cp*cT/ei+a'Syfl*(6-T)=0

■и'дх/а+р *Syfl*(y-x)=0

P*Sya*(y-x)-1/c*W(e.y) = о

Для инертной насадки у=х и w(9,y)=0.

Начальные и граничные условия задачи были следующими:

Граничные условия: при 1=0: Т=ТвХ1х=хвх.59/51=0; при l=L 59/51=0;

Начальные условия: при t = О:6=0„(1).

Здесь: е - доля свободного обьема слоя; СК,СР - удельные теплоемкости катализатора и газа;а, р-коэффициенты тепло- и массообмена между твердой фазой и газом; Хек-коэффициент эффективной продольной теплопроводности по "скелету" слоя; Q - тепловой эффект реакции ; и - линейная скорость газа; вуД -наружная поверхность зерен катализатора и инертной насадки; 0,Т • температура катализатора и газа; с-входная ' концентрация горючего компонента; I-текущая координата длины слоя катализатора и инерта; L -общая длина слоя катализатора и инерта; х,у - степень превращения в газе и в зерне катализатора; t • текущее время.

Расчеты проводили с использованием уравнения наблюдаемой скорости необратимой реакции первого порядка по метану. Для моделирования схемы I использовалась программа, разработанная А.Г.Ивановым, для моделирования схемы II - вновь разработанная при участии автора. В использованных программах вначале рассчитывались температурные и концентрационные профили в первом по ходу газа слое катализатора, а затем с учетом изменений температуры ( для схемы II- линейной скорости) за счет утилизации тепла-во втором слое.

б

Численно находили установившееся периодическое решение системы и для него определяли средние показатели: степень утилизации тепла реакции 6т, максимальную температуру в слое катализатора Эт». степень превращения х и гидравлическое сопротивление слоя в неизотермических условиях ДР.

Степень утилизации тепла вычислялась по формуле: для схемы I &т=(Тср -Тох2)/ЛТад; для схемы И - по формуле: 8г=5(Тср-Твх)/ДТад. Здесь ЛТад -адиабатический разогрев смеси; ТВХ2 и Твх - постоянные температуры на входе во второй по ходу газа слой катализатора и на входе в реактор соответственно; 5-доля отводимого в теплоутилизатор газа; Тер - интегральная средняя за полуцикл температура на входе в ТУ. При моделировании находили зависимости этих показателей от параметров системы: концентрации метана на входе в реактор, линейной скорости газа, загрузки и размеров зерен катализатора и инерта, времени полуцикла 1лер . температуры Тв»г для схемы I, доли отводимого в теплоутилизатор газа для схемы И, и др. Основные закономерности РП с получением ВПТ, полученные с помощью метода математического моделирования, были следующими:

1. Для схемы I существует область значений времени полуцикла ^ер и температуры ТВХ2 , в которой степень утилизации тепла достигает максимума (70-80% от тепловыделения за счет реакции). Поэтому и ТВХ2 являются для данной схемы основными управляющими параметрами. В дальнейших расчетах для схемы I определялось оптимальное (пер и изучались зависимости этого показателя от других параметров. Для схемы II также определялось время полуцикла и изучались его зависимости от других параметров.

2. Для схемы II роль основного управляющего параметра играет величина 5. Степень утилизации тепла растет прямо пропорционально величине 5 и теоретически может достигнуть Однако при росте доли отводимого газа (и степени утилизации тепла) время полуцикла уменьшается. Поэтому с учетом технологических ограничений (время полуцикла не более 5 мин) практически достижимая степень утилизации тепла не превышает 95% при концентрациях метана 0.5-2 % об. Величины ДР и 0тах уменьшаются с ростом б, причем 9тах незначительно.

3. При увеличении концентрации метана в смеси возрастают величины бтах и и*» для обеих схем, величина ДР меняется незначительно. Степень утилизации тепла при этом для схемы I возрастает, а для схемы II (при фиксированной величине 5) - незначительно снижается. Последнее связано с тем, что при увеличении концентрации рост количества получаемого в схеме П тепла происходит медленнее, чем рост ДТШ.

4. С увеличением линейной скорости для обеих схем наблюдается существенный рост ЛР и уменьшение 1пер. Однако величины Эпах и 5г при этом меняются незначительно.

5. Увеличение загрузки инерта при фиксированной общей длине слоя ведет к 'росту ^р и ЛР. Величина бта* растет более слабо. Для схемы I степень утилизации тепла вначале быстро растет с увеличением загрузки инертной насадки, а затем почти не изменяется и асимптотически приближается к 7080% от тепловыделения за счет реакции. Для схемы П величина 5г от загрузки инерта зависит слабо.

6.Степень превращения метана в большинстве проведенных расчетов составляла 96-100%.

Было проведено непосредственное количественное сравнение обеих схем при одинаковых условиях (окисление метана на одном и том же катализаторе, ко=1.35*104 Т/с, Е=54.4 кДж/моль; одинаковые размеры зерен катализатора-кольца 10*10*2.5 мм; и инерта-колыда 25*25*3 мм и т.д.). Его результаты приведены в табл.1. Как видно из табл.1., при одинаковых начальных условиях -схема II имеет более низкое ДР по сравнению со схемой I, особенно при больших линейных скоростях, что связано, очевидно, с меньшим потоком газа через вторую часть слоя в первом случае. Кроме того, в схеме П можно добиться либо уменьшения загрузки инертной насадки при одинаковой степени утилизации тепла за счет увеличения величины 5, либо большей величины степени утилизации тепла. Недостатком схемы П является повышение максимальной температуры вследствие более высоких температур на входе во второй по ходу газа слой катализатора.

Таблица 1. Сравнение расчетных характеристик технологических схем I (для оптимальных условий) и II. ____.

с,% Нк.М Ни,М и, Твх2 5,% 0 шах. х.% 5т,% ДР,

нм/с °с мин °с дПа

1.0 0.9 4.8 0.6 500 * 15 847 99.9 67.4 350

1.5 0.4 3.2 0.4 480 * 30 883 99.9 50.6 81

1.5 0.4 1.6 0.4 500 ' 15 908 93.9 33.7 67

1.0 0.9 4.8 0.6 ** 25 15 910 99.9 67.4 290.

1.0 0.9 3.2 0.6 *« 25 7 832 99.9 67.4 270

1.5 0.4 3.2 0.4 ** 22 30 1210 99.9 50.6 78

1.5 0.4 1.6 0.4 ** 20 16 1050 99.9 ,39.4 63

"Схема I с байпасной линией.

"Схема П с отводом горячего газа из центра слоя. -

Таким обрззом, сравнение технологических схем РП с получением ВПТ на основании результатов математического моделирования показывает, что лучшие технологические показатели (меньшее гидравлическое сопротивление слоя, возможность меньшей загрузки инерта) имеет схема с -отводом части горячего газа из центра слоя катализатора (схема П).

В трптьэЛ_сд222 приводится результаты экспериментальной проверки

осуществимости РП с утилизацией тепла реакции с использованием технологических схем I и П на пилотной установке производительностью до 60 м3/час и результаты сравнительных испытаний катализаторов глубокого окисления в условиях периодически изменяющихся и высоких температур.

В экспериментах по схема Г (рис.1) использовался алюмомеднохромрвый катализатор ИКТ-12-8 (СиСг204/у-А[20з) в виде колец. Высота слоя катализатора составляла 2*2.3 м, диаметр реактора-0.175 м. Температура М8С на входе в реактор составляла 10°С. Результаты экспериментов даны в табл.2.

Таблица 2. Результаты экспериментов с утилизацией тепла по технологической схеме I. _

N Ссм,%об. и,нм/с Э щах, °с Шер.мин х,% 5т,%

1* 0.66 0.39 1000 50 100 34

2* 0.48 0.58 880 24 100 51

3* 0.60 0.58 950 34 100 51

0.66 0. 39 850 39 100 48

5** 1.20 0.19 970 213 100 40

*На кольцах 15*15*3 мм. "На кольцах 25*16*3 мм.

Проведенные эксперименты показали принципиальную осуществимость РП окисления МВС с утилизацией тепла.

В экспериментах по гхемр. II (рис.2) в верхнюю часть каждого реактора (квадратного сечения со стороной квадрата 15 см) загружался алюмомарганцевый катализатор в виде колец 25*25*3 мм. Высота слоя катализатора составляла 2*0.4 м. Кроме того, в каждый реактор загружалась инертная насадка в виде керамических колец Рашига размерами 15*15*3 мм ; высота слоя насадки в каждом реакторе 1,2 м. Температура газа на входе в реактор составляла 20°С. В качестве горючего использовался пропан-бутан. Результаты экспериментов приведены в табл.3.

Таблица 3. Результаты экспериментов с утилизацией тепла по технологической схеме II.___ _

N ДТад,0С и,нм/с 5,% в щаХ| С тер,мин х,% 5Т,%

1 485 0.22 0 910 68 100 0

2 485 0.22 10 890 45 100 19

3 485 0.22 20 870 32 100 40

4 505 0.46 23 920 14 100 45

В результате проведенных экспериментов по схеме II показано, что возможно непрерывное ведение РП с отводом части горячего газа из центра слоя катализатора.

Следует отметить, что в экспериментах по обеим схемам на пилотной установке малого диаметра имели место значительные потери тепла (до 30% от тепловыделения за счет реакции). На промышленных установках большого диаметра теплопотери должны быть существенно ниже, поэтому можно

ожидать, что степень утилизации тепла будет выше 50% и приблизится к расчетной.

Подбор термостабильного катализатора пля РП окисления метана. В связи с тем, что в условиях РП глубокого окисления метана катализатор работает в экстремальных условиях, нами были проведены сравнительные испытания ряда перспективных катализаторов' в условиях периодически изменяющихся и высоких (до 950°С) температур с целью выбора из них наиболее удовлетворяющих необходимым требованиям.

Испытания на термостабильность проводили в 2 этапа: первоначально образцы 10 катализаторов испытывались в РП глубокого окисления в течение 170 час при максимальных температурах 870-920°С. По результатам этих экспериментов были отобраны 3 лучших катализатора, которые были подвергнуты ресурсным испытаниям при 920°С (путем прокаливания в муфельной печи). Температурный режим прокаливания в течение суток был следующим.^ часа-нагрев от 20 до 920°С, 10 час-выдерживание образцов при 920°С, и 12 час-охлаждение до 20 °С. Время испытаний при 920°С составило 810 час ( около 34 суток), суммарное время испытаний -около 3 месяцев. Разработчиком этих катализаторов - Омским филиалом Института катализа -были наработаны следующие 3 образца : алюмомарганцевый катализатор (ИКТ-12-40) и два палладийсодержащих ( 0,15% РсУу-АЬОз) , различающихся способом приготовления. В течение испытаний отбирались пробы катализаторов для определения их активности в реакции окисления метана в стандартных условиях. Кроме того, до и после испытаний определялись механическая прочность образцов, удельная поверхность и средний радиус пор по стандартной методике.

Результаты испытаний и динамика изменения активности испытываемых образцов катализаторов во времени приведены на рис.3 и в табл.4. Как видно, активность всех 3 катализаторов снизилась в результате прокаливания при 920°С. При этом активность алюмомарганцевого катализатора после незначительного начального падения стабилизировалась, активность же

часы

Рис.З.Активность катализаторов глубокого окисления метана (кольца размерами 10*10*2.5 мм, 500,°С) в зависимости от длительности воздействия температуры.

Таблица 4. Результаты ресурсных испытаний катализаторов глубокого окисления метана на термостабильность.

N катализатор' Мех. проч- Уд.поверх- Средний ра-

ность Ро, НОСТЬ Эуд. диус пор г,

н/мм мг/г /

1* 2 1 2 1 2

1. ИКТ-12-40 4.5 2.9 70 7 308 2780

2. М/А1гОэ 3.1 1.2 214 1 90 1402

3- РаК/А1гОз 3.1 1.1 175 6. 91 1262

*1-данные для исходных образцов;2-данные после испытаний.

палладийсодержащих образцов продолжала снижаться. Как видно из табл.4, и рис.3., из испытанных образцов наиболее удовлетворительные показатели у алюмомарганцевого катализатора. Поэтому для использования в опытно-

промышленной установке ;ЭЛУ) утилизации ц.аутного метана был рекомендован именно он.

Наконец, з последней, четвертой глава "приводится описание применения результатоо проведенных исследований к разработке ОПУ утилизации низкокоь нитрированного (0 5-2.3%об.) шахтного метана с получением тепла на ша<" (.- им Кирова (г.Ленинск-Кузнецкий). Технологическая схема ОПУ соответствует рис.2. Внутренний диаметр каждого реактора - 3.5 м Поверхность теплообмена водоподогревателя - 275 м2. Используемый катализатор - ИКТ-12-40. Загрузка катализатора в виде колец размерами 15*15*3 мм - 3.6 м3(6 т), загрузка инерта в виде колец 25*25*3 мм - 13.2 м3 Основные технологические показатели установки даны в табл.5.

Таблица 5. Технологические показатели ОПУ на шахте им.Кирова.

Производительность Максимальная температура в слое ,°С Степень превращения метана.% Гидравлическое сопротивление установки, мм.вод.ст.

по газу, нм3/час по теплу, Гкал/час*

до 30000 до 2 до 1000 до 99 до 500

'Теплофикационная вода 115/70 "С.

На основании технических рекомендаций, разработанных Институтом катализа СО РАН, Кемеровское АО'КИАП" выполнило рабочий проект установки и определило ее основные технико-экономические показатели. На рис.4 приведена зависимость себестоимости 1 Гкал тепла на СПУ от концентрации метана и ее сравнение с себестоимостью тепла (19.53 руб) в угольной котельной аналогичной производительности в цена июля 1991 г. Определенная из этих данных нижняя граница экономиче кой эффективности РП равна 0.54%об.

2200 Б.руб/Ггал

16.00 —

2000 —

1800 —

14.00

г

0.43

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

СсИ4,%об.

Рис.4.Зависимость себестоимости 1 Гкал тепла на ОПУ от концентрации метана в исходной МВС. Горизонтальная прямая - себестоимость для угольной котельной.

1 .Теоретически и экспериментально разработан способ утилизации низкоконцентрированного метана угольных шахт на основе процесса каталитического окисления в режиме реверса потока газа с получением высокопотенциального тепла.

2. С применением метода математического моделирования изучены основные закономерности и проведено сравнение двух технологических схем данного процесса: 1-е отводом тепла из центра слоя катализатора с регулированием количества отводимой энергии с помощью байпаса; И-с отводом части горячего газа с последующей утилизацией тепла в теплоутилизаторе и сбросом охлажденного газа в атмосферу. Показано, что наиболее предпочтительной является последняя схема. Найдены зависимости основных показателей (максимальной температуры в слое катализатора, времени полуцикла, степени утилизации тепла) процесса от технологических параметров. Показано, что в исследованной области параметров для технологической схемы II наибольшее влияние на максимальную температуру

ВЫВОДЫ

оказывают изменения" концентрации метана.-Наибольшее влияние на время полуцикла оказывают изменения концентрации метана доли отводимого из середины слоя горячего газа, температуры переключения направлений подачи смеси на слой катализатора. Степень утилизации тепла растет прямо пропорционально доле отводимого из центральной части слоя газа и теоретически может достигать 95% .

З.Экспериментально исследован на пилотной установке процесс окисления метано-воздушных смесей (с концентрацией метана 0 5-1.2%об.) с утилизацией тепла в режиме реверса потока газа. Экспериментально показана осуществимость реверс-процесса с получением высокопотенциального тепла. Показано, что температуры в слое катализатора при условиях эксперимента достигают 1000°С, а доля утилизируемого тепла реакции даже в условиях значительных теплопотерь на пилотной установке составляет около 50%. • 4. Проведены сравнительные испытания оксидных и нанесенных палладиевых катализаторов глубокого окисления в условиях периодически изменяющихся и высоких (до 950°С) температур. Показано, что из испытанных образцов только алюмомарганцевый катализатор ИКТ-12-40 сохраняет активность и механическую прочность при длительном (810 час) воздействии таких температурных условий.

5. На основании результатов математического моделирования и экспериментов выданы исходные данные для создания опытно-промышленной установки утилизации тепла окисления шахтного метана на шахте им.Кирова (г.Ленинск-Кузнецкий). Производительность установки по газу-до 30000 м3/час, по теплу-до 2 Гкал/час. На основе исходных данных выполнен рабочий проект установки.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1 .Ю.Ш.Матрос,А.Г.Иванов,Л.Л.Гогин. Получение высокопотенциального тепла из слабоконцентрированных газов и топлив в нестационарном режиме./Деор. основы хим. технологии.- 1988,- т.XXII,- N4,- с.481. 2. Ю.Ш.Матрос,Л.Л.Гогин, В.С.Лахмостов .Т.В.Мулина.Е.Ф.Стефогло. Утилизация тепла каталитического окисления метана в нестационарном режиме.//В сб.Нестационарные процессы в катализе(Материалы III Всесоюзной конференции).Новосибирск,-1987.-с. 120.

3. Ю.Ш.Матрос,/!.Л.Гогин, В.С.Лахмостов, Т.В.Мулина.

Утилизация тепла окисления метана на основе нестационарного способа проведения каталитических процессов.//Хим.технология.- 1989,- N4.- с.87.

4.L.L.Gogin,A.G.Ivanov.V.S.Lakhmostov.Utilization of high-grade heat produced in detoxication of industrial waste gases using unsteady-state catalytic method.// lrvllnsteady-State processes in Catalysis (Proceedings of the International Conference, 5-8 June, Novosibirsk, USSR).Utrecht-Tokyo.-1990.-p.621.

5.Т.В.Мулина, А.Я.Бакаев, Ю.Ш.Матрос, А.П.Игнатьев, Л.Л.Гогин, Г.И.Голь-денберг. Дезактивация алюмомеднохромового катализатора в процессе окисления метано-воздушных смесей в нестационарном режиме.//В сб. Дезактивация гетерогенных катализаторов компонентами реакционной среды (1 Всесоюзное совещание по проблемам дезактивации катализаторов). Уфа,-1985,- с.79.

6. И.И.Шурубор.Л.Л.Гогин, Ю.Ш.Матрос.В.А.Чумаченко.

Интенсификация теплопереноса в реакционной зоне каталитического слоя, работающего в нестационарном режиме.// В сб. Нестационарные процессы в катализе (Материалы III Всесоюзной конференции). Новосибирск.- 1987.-с. 186. 7.0.N.Kovalenko,P.G.Tsyrurnikov,D.P.IvanovJ.G.Starostina,A.S.Noskov, L.L.Gogin.L.G.Gul'kova.E.N.Kudrija .Behavior of the new industrial combustion catalysts under extreme conditions.// ln:Environmental Catalysis, Recent Research Reports,Proceeding of the 1st World Congress.Pisa.-Italy.- 1995.-p.55.

8. O.N.Kovalenko, P.G.Tsyrul'nikov , D.P.Ivanov .T.G.Starostina , A.S.Noskov, L.LGogin.L.G.Gul'kova,E.N.Kudrija.Dynamics of the Activity of Deep Oxidation Catalysts under the Extreme Conditions. /Дhe Second International Conference in Unsteady - State Process in Catalysis. St.Louis.- USA.- 1995.- P9.

9. A.S.Noskov. L.L.Gogin, O.P.KIenov, V.S.Lakhmostov.Yu.Sh.Matros. Application of Reverse - Process for Power Production from the Alternative Fuel Sources. // The Second International Conference in Unsteady - State Process in Catalysis. St.Louis. USA.- 1995,- P41.

10. A.S.Noskov, O.P.KIenov.l.L.Gogin, V.S.Lakhmostov . Catalytic heat units to process coalbed methane vented emissions.//In: Coalbed methane: forecasting, monitoring, utilization. Preprint of Russian Coalbed Methane Center.-1995.-N1-3.-p.21. ^---