Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время во всех промышленно развитых странах ведется поиск нетрадиционных источников энергии, в 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:
-
Теоретическое и экспериментальное исследование реверс-процесса (РП) окисления метано-воздушных смесей (МВС) с получением ВПТ.
-
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 800-1000С 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 тепла 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 (ИКГ-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.