Кинетика и механизм реакции каталитической газификации активированного угля диоксидом углерода

• Автор: Курбатова, Надежда Андреевна
• Шифр специальности: 05.17.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 143 с. : ил.

Содержание
Введение.
1 Обзор литературы по каталитической газификации углеродных материалов диоксидом углерода.

1.1 Типы используемых углеродных материалов

1.2 Применяемые катализаторы добавки.

1.3 Модели реакторов

1.4 Варианты приготовления системы уголькатал и затор

1.5 Изучение кинетики процесса

1.6 Механизм каталитической углекислотной газификации угля

1.7 Дезактивация и регенерация катализатора.

1.8 Практическое использование процесса.

1.8.1 Совершенствование теплоэнергетических процессов.
1.8.2 Углеродный топливный элемент
1.8.3 Получение меченых препаратов для медицинской диагностики
1.8.4 Переработка отходов.
1.9 Заключение
2 Экспериментальная часть.
2.1 Используемые реактивы.
2.2 Схема установки.
2.3 Методика проведения эксперимента
2.3.1 Приготовление реакционной смеси.
2.3.1.1 Подготовка угля.
2.3.1.2 Приготовление систем угольдобавка
2.3.1.3 Приготовление газовых смесей
2.3.2 Загрузка реактора.
2.3.3 Методика изучения реакции газификации.
2.3.4 Методика получения монооксида углерода
2.3.5 Учет уменьшения высоты угольной смеси в ходе процесса.
2.4 Определение режимов проведения реакции
2.4.1 Определение изотермической зоны по длине реактора.
2.4.2 Определение температурного градиента по радиусу реактора
2.4.3 Определение времени выхода на стационарный режим
2.4.4 Трассирование.
2.4.5 Материальный баланс процесса
2.4.6 Определение области протекания процесса.
2.4.7 Воспроизводимость экспериментальных данных
2.5 Методики анализов.
2.5.1 Газовая хроматография.
2.5.2 Рснтгснофазовый анализ
2.5.3 Сканирующая электронная микроскопия.
2.5.4 Определение адсорбционных характеристик.
2.5.5 Термогравиметрия и дифференциальный термический анализ
2.5.6 Спектроскопия X.
3 Некаталитический процесс газификации угля БАУА диоксидом углерода
3.1 Определение вида кинетической модели.
3.2 Определение энергетических параметров процесса.
3.3 Механизм реакции.
3.4 Некаталитическая газификация других углеродных материалов
4 Применение каталитических добавок
4.1 Механическое смешение угля с добавкой метала или его оксида
4.2 Нанесение металла или оксида металла на уголь
4.2.1 Оксид цинка
4.2.2. Железо и его оксиды.
4.2.3 Никель.
4.2.4 Кобальт
5 Кинетика и механизм каталитической углекислотной газификации угля
5.1 Определение области протекания процесса
5.2 Определение вида кинетического уравнения.
5.3 Расчет параметров модели процесса
5.4 Образование волокнистого углерода.
5.5 Механизм процесса.
6 Пути совершенствования процесса углекислотной газификации угля
6.1 Влияние природы исходного соединения металла на свойства катализатора
6.2 Дезактивация катализатора и его регенерация.
6.3 Увеличение срока службы катализатора
6.4 Каталитическая газификация других углеродных материалов.
6.5 Использование добавок кислорода.
7 Рекомендации по технологии производства СО газификацией угля
Список литературы


В работе [] показано увеличение активности никеля при нанесении его на подложку М§0. В данном случае авторы связывают увеличение активности с основностью подложки. Широко известна каталитическая активность металлов УШВ группы: железа, кобальта и никеля. Дешевым и доступным катализатором является железо [, , -, , , , , , ]. При использовании газов с меньшей окислительной способностью (С, Н2, Н) активными являются сами переходные металлы. В проведенных исследованиях авторы отмечают быструю дезактивацию железного катализатора в результате окисления активной формы. В качестве способа восстановления каталитической активности предлагается обработка восстанавливающими газами (СО [, ]) или прокаливание системы уголь-катализатор в инертном газе, в результате чего происходит восстановление оксидов железа за счет газифицируемого угля []. Кроме того, с целью регенерации катализатора возможно его отделение от остатков углеродного материала за счет использования магнитных свойств железа []. Использование никелевого катализатора связано с его высокой активностью и дешевизной [, , , , , , , , -, ]. В работах [, ] подчеркивается, что активной является металлическая фаза, а оксид никеля в реакции углекислотной газификации угля неактивен. В отличие от железа, никель не подвергается быстрой дезактивации. Не менее интересен кобальт [, , , , , ]. Каталитическую активность никеля и кобальта связывают, как правило, с диффузией углерода через частицы металла и образованием квазижидких мобильных частиц катализатора [, , ]. Чуть менее распространено использование катализаторов на основе цинка [, , ], индия [, ], меди [], церия и циркония [], рутения [, ], палладия [, ], молибдена [], хотя показана их значительная активность. Оксид цинка интересен тем, что при протекании реакции возможна его дополнительная фотока-талитическая активация []. В работе показано, что при облучении УФ-лучами угля с нанесенным оксидом цинка скорость реакции значительно увеличивалась по сравнению с необлучаемым образцом. Способность меди обратимо окисляться позволяет использовать ее в качестве переносчика кислорода при газификации []. Использование индия, церия и циркония представляется нерентабельным из-за их высокой стоимости. Несколько слабее изучен синергизм свойств при использовании смесей катализаторов. Сообщается о большой эффективности смесей карбонатов щелочных металлов за счет образования более низкоплавких смесей [, , , ], показано, что использование оксида магния в качестве подложки при газификации смолы пиролиза биомассы значительно увеличивает каталитическую активность никеля []. В работе [] указано, каталитический эффект при использовании Мо совместно с К2СОз выражен сильнее, чем при использовании этих веществ в отдельности. В наших экспериментах были использованы железо, никель, кобальт, цинк и их оксиды, так как данные вещества дешевы, доступны и обладают хорошей каталитической активностью. Поскольку технология каталитической газификации угля диоксидом углерода все еще находится в стадии разработки, в литературе отсутствуют данные о промышленном или опытно-промышленном проведении процесса. Установки же некаталитической газификации угля находятся, как правило, на стадии опытно-промышлениых разработок. В то же время, в этих опытно-промышленных установках используются принципы, отработанные на промышленных реакторах для случаев газификации угля кислородом, воздухом или паром []. Упомянутая ранее опытно-промышленная установка газификации угля производительностью 2 м7ч [] создана специалистами ООО "Ростхим" на базе ФГУП ГШ4ИХТЭОС. Установка включает проточный трубчатый реактор с неподвижным слоем угля, снабженный бункером для увеличения времени нспрерілвной работы установки (рисунок 3). Некаталитический процесс проводят при атмосферном давлении и температурах 0- °С. Полученный СО сжимают либо с помощью компрессора, либо криогенным методом. Качество продукта (содержание СО) - %. Данный реактор представляет собой аналог газогенератора Лурги, работающего при атмосферном давлении [].