Аннотация
Работа посвящена разработке каталитического нагревательного элемента, работающего на газовом топливе (пропан-бутан). Предложенная конструкция элемента включает радиальный слой платинового стекловолокнистого катализатора ИК-12-С111, синтезированного методом импульсного поверхностного термосинтеза. Этот катализатор отличается высокой активностью в реакциях глубокого окисления углеводородов при умеренном содержании (0.05-0.08 % вес.) платины, а также высокой термостойкостью и стабильностью работы. Этот катализатор может производиться по технологии, отличающейся простотой и безотходностью, а также позволяющей использовать в качестве носителя доступные и недорогие отечественные стеклоткани.
Топливный газ подается внутрь элемента, а его смешение с кислородом происходит за счет диффузии и естественной конвекции непосредственно в слоях каталитической стеклоткани. В такой конструкции полностью отсутствуют движущиеся части, а также какие-либо побудители расхода как топливного газа, так и воздуха, за счет чего достигается простота и высокая надежность конструкции. Изготовленный прототип нагревательного элемента обеспечивает устойчивую работу в диапазоне удельных тепловых мощностей от 7 до 26 кВт/м2, при этом в диапазоне мощностей от 10 до 15 кВт/м2 достигается уровень эффективности сжигания топлив более 99 %, в продуктах сгорания полностью отсутствуют СО и оксиды азота, а остаточное содержание углеводородов не превышает 40 ррм. При этом в ходе экспериментов не наблюдалось признаков дезактивации катализатора, а катализатор, извлеченный из КНЭ после испытаний, не утратил гибкости и механической прочности. Предложенный каталитический тепловой элемент может использоваться в системах муниципального и промышленного теплоснабжения.
Ключевые слова: нагревательный элемент, пропан-бутан, катализатор, платина, стекловолокнистый носитель, импульсный поверхностный термосинтез, окись углерода, оксиды азота
Список литературы
1. Ismagilov Z.R., Kerzhentsev M.A. Catalytic fuel combustion – a way of reducing emission of nitrogen oxides // Catalysis Reviews: Science and Engineering. – 1990. – Vol. 32, iss. 1–2. – P. 51–103. – doi: 10.1080/01614949009349940.
2. Catalytic heat generating element for autonomous domestic heating systems / B.N. Lukyanov, V.A. Kirillov, N.A. Kuzin, M.M. Danilova, A.V. Kulikov, A.B. Shigarov // Chemical Engineering Journal. – 2003. – Vol. 91, iss. 2–3. – P. 191–198. – doi: 10.1016/S1385-8947(02)00153-5.
3. Improvements in the manufacture of Acetic acid, IPC C07C51/235, C07C53/08: United Kingdom Patent 191117424-A / Inventor and Assignee G.W. Johnson, Chemische Fabrik Griesheim-Elektron. – Application N GBD191117424; Application Date July 31, 1911; Publication Date July 4, 1912.
4. Improvements in and relating to catalyzing material: United Kingdom Patent 140011-A, IPC B01J 35/00, B01J 23/70, B01J 35/06, B01J 23/70 / Assignee Gen Electric. – Application N GB19190022076, 19190908; Application Date September 8, 1919; Publication Date March 18, 1920.
5. Open mesh glass fabric supported catalyst: USA patent N 3189563, IPC С04В 30/00 /
A.P. Hauel; Inventor and Assignee Engelhard Industries. – Application N 72842; Application Date 01.12.1960; Publication Date 15.06.1965.
6. Катализатор для химических процессов, например конверсии аммиака, окисления углеводородов, диоксида серы, очистки выхлопных газов: патент 2069584 Российская Федерация, МПК B 01 J 23/38, B 01 J 23/70 / В.В. Барелко, П.И. Хальзов, В.Н. Звягин, В.Я. Онищен-ко. – № 94042084/04; заявл. 24.11.1994; опубл. 27.11.1996, Бюл. № 33.
7. Носитель и катализатор для гетерогенных реакций: патент 2143948 Российская Федерация, B01J21/08, B01J21/12, B01J23/38, B01J23/70, B01J32/00 / В.В. Барелко, Б.С. Бальжинимаев, С.П. Кильдяшев, М.Г. Макаренко, В.А. Чумаченко; патентообладатели Закрытое акционерное общество «Катализаторная компания», Закрытое акционерное общество «Химфист». – № 98119602/04; заявл. 02.11.1998; опубл. 10.01.2000.
8. Каталитические системы на основе стекловолокнистых аморфных матриц, легированных металлами и их оксидами, в восстановлении оксидов азота / В.В. Барелко, И.А. Юранов, А.Ф. Черашев, А.П. Хрущ, В.А. Матышак, Т.И. Хоменко, О.Н. Сильченкова, О.В. Крылов // Доклады Академии наук. – 1998. – Т. 361, № 4–6. – С. 485–488.
9. Glass fiber catalysts for total oxidation of CO and hydrocarbons in waste gases / L. Kiwi-Minsker, I. Yuranov, B. Siebenhaar, A. Renken // Catalysis Today. – 1999. – Vol. 54, iss. 1. – P. 39–46. – doi: 10.1016/S0920-5861(99)00165-0.
10. Matatov-Meytal Y., Sheintuch M. Catalytic fibers and cloths // Applied Catalysis A: General. – 2002. – Vol. 231, iss. 1–2. – P. 1–16. – doi:10.1016/S0926-860X(01)00963-2.
11. Glass fiber materials as a new generation of structured catalysts / B.S. Balzhinimaev, E.A. Paukshtis, O.B. Lapina, A.P. Suknev, P.E. Mikenin, A.N. Zagoriuko // Studies in Surface Science and Catalysis. – 2010. – Vol. 175. – P. 43–50. – doi: 10.1016/S0167-2991(10)75006-0.
12. Glass-fiber catalysts: novel oxidation catalysts, catalytic technologies for environmental protection / B.S. Balzhinimaev, E.A. Paukshtis, S.V. Vanag, A.P. Suknev, A.N. Zagoruiko // Catalysis Today. – 2010. – Vol. 151, iss. 1–2. – P. 195–199. – doi: 10.1016/j.cattod.2010.01.011.
13. Каталитический процесс дожига отходящих газов с использованием платинового стекловолокнистого катализатора ИК-12-С102 / А.Н. Загоруйко, С.А. Лопатин, Б.С. Бальжинимаев, Н.Р. Гильмутдинов, Г.Г. Сибагатуллин, В.П. Погребцов, И.Ф. Назмиева // Катализ в промышленности. – 2010. – № 2. – С. 28–32.
14. Загоруйко А.Н., Бальжинимаев Б.С. Каталитические процессы на основе стекловолокнистых катализаторов // Химическая промышленность сегодня. – 2011. – № 2. – С. 5–11.
15. Lopatin S.A., Zagoruiko A.N. Pressure drop of structured cartridges with fiber-glass catalysts // Chemical Engineering Journal. – 2014. – Vol. 238. – P. 31–36. – doi: 10.1016/j.cej.2013.04.087.
16. Fiber based structured materials for catalytic applications / E. Reichelt, M.P. Heddrich, M. Jahn, A. Michaelis // Applied Catalysis A: General. – 2014. – Vol. 476. – P. 78–90. – doi: 10.1016/j.apcata.2014.02.021.
17. Pressure drop and mass transfer in the structured cartridges with fiber-glass catalyst [Electronic Resource] / S. Lopatin, P. Mikenin, D. Pisarev, D. Baranov, S. Zazhigalov, A. Zagoruiko // Chemical Engineering Journal. – Available online: 14.02.2015. – doi: 10.1016/j.cej.2015.02.026. – URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894715002247 (accessed: 12.03.2015).
18. Устройство для каталитического сжигания природных и сжиженных газов: патент 2315908 Российская Федерация, МПК F23D14/18 / А.В. Куликов, В.А. Кириллов; патентообладатель Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук. – № 2006120921/06; заявл. 13.06.2006; опубл. 27.01.2008, Бюл. № 3. – 6 с.
19. Влияние топливной добавки на характеристики полученных методом ИПТ серебряных катализаторов на стеклотканных носителях / В.Б. Гончаров, Ю.С. Котолевич, Е.А. Супрун, М.Р. Шарафутдинов, П.Г. Цырульников, А.Н. Саланов // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2011. – Т. 54, № 12/2. – С. 48–53.
20. Способ приготовления нанесенных катализаторов методом импульсного поверхностного термосинтеза: патент по заявке № 2014108752 Российская Федерация / Ю.С. Котолевич, С.С. Сигаева, П.Г. Цырульников, А.Н. Загоруйко, С.А. Лопатин, 2014.
21. Ванадийоксидные катализаторы на основе структурированных микроволокнистых носителей для селективного окисления сероводорода / П.Е. Микенин, П.Г. Цырульников, Ю.С. Котолевич, А.Н. Загоруйко // Катализ в промышленности. – 2015. – № 1. – С. 65–70.
