Ефимов Н.Н. Наномодификаторы и катализаторы в процессах сжигания углей и переработки в синтетические углеводороды

Н.Н. Ефимов, А.П. Савостьянов, В.И. Паршуков 
Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)

Существуют три направления интенсификации процессов горения твердых топлив: изменением конструкции топки котла и технологии сжигания топлива; воздействием на топливо, например, изменением тонины помола; воздействием на окислитель, активируя кислород воздуха. В теплоэнергетике в той или иной степени все эти приемы широко применяются. Потери углерода при сжигании и газификации твердых топлив составляют 14-17 %. В условиях недостатка кислорода в процессе газификации происходит образование продуктов неполного горения топлива, равновесный состав которых определяется химическим составом горючей массы топлива и долей подачи воздуха и пара в камеру.

Активацию окислителя при горении можно производить с помощью наномодификаторов. Как показали экспериментальные исследования [1,2], углеродные наноматериалы (астралены, высокодефектные углеродные нанотрубки, а также аддукты нанокластеров) способствуют фотофизическим реакциям образования синглетно-возбужденного состояния контактирующего с ними молекулярного кислорода воздуха при высоких уровнях воздействия на них электромагнитного излучения. Синглетно-возбужденный кислород практически сразу же переходит в высокостабильное синглетное состояние с энергией 0,97 эВ. При этом время жизни молекулярного кислорода в синлетно-возбужденном состоянии может достигать десятков минут. Этого более чем достаточно для участия в реакциях окисления топлива со значительно большей кинетической эффективностью. Скорость реакций горения и газификации твердого топлива, и полнота выгорания возрастает в 1,5-2 раза. Из экономических соображений для достижения значимых макроэффектов при сжигании пылевидных твердых топлив в энергетических установках представляют интерес наноматериалы, использование которых возможно в «гомеопатических» дозах (0,05 - 0,001 %).

Исследование прикладных возможностей применения наномодификаторов позволяет поставить задачу о создании энерготехнологического производства комплексной переработки углей в синтетические моторные топлива [3].

Основными этапами технологической схемы производства синтетических углеводородов являются:

переработка твердого топлива в генераторный газ в газификаторе с использованием описанных выше наноматериалов для активации окисления;
очистка генераторного газа от механических примесей, серы, азота, С02;

переработка генераторного газа в синтетические моторные топлива в реакторах синтеза Фишера-Тропша с применением нанокатализаторов, интенсифицирующих процессы синтеза газов после газификации;

переработка отходов твердого топлива в востребованную товарную продукцию (шлакоситал, шлакощебень) также с использованием нанодобавок, позволяющих повысить экономическую эффективность товарной продукции.

Использование наноматериалов в технологических процессах газификации и получения синтетических углеводородов приведет к повышению интенсивности процесса газификации примерно в 1,5 раза, что позволит в 1,5 - 2 раза уменьшить количество газификаторов, так как скорость движения газов можно увеличить примерно вдвое. В реакторе синтеза Фишера-Тропша при производстве синтетических углеводородов отказаться от обычных, применяемых в настоящее время, катализаторов, а перейти на применение кобальтовый нанокатализаторов. При этом количество реакторов Фишера-Тропша, уменьшается в 5 раз. Все это обеспечивает эффективность использования твердых топлив, повышает степень переработки угля в синтетические углеводороды, а также повышает привлекательность технологического проекта переработки топлив.

Литература
Отчет о научно-технической работе, по теме: 2007-3-1.3-00-04-057 «Разработка нанотехнологии получения твердого топлива с заданными физико-химическими характеристиками для тепловых электрических станций»,- по Государственному контракту № 02.513.11.3369 от 30.07.2007
Пономарев А.Н., Никитин В.А., Шахматкин Б.А., Каменев Ю.Б., Летенко Д.Г., Косицкий Д.В. «Астралены-углеродные наномодификаторы фуллероидного типа»-Труды ТПКММ, с147-154, М, «Знание», 2004.
Отчет о научно-исследовательской работе по теме: «Разработка перспективных технологических процессов и методов по созданию технологического комплекса по производству синтетических моторных топлив из углей», по Государственному контракту № 02.516.11.6166 от 30.09.2008 г.

К списку тезисов конференции