Praktyczne badania aktywności katalizatorów spalania(1).pdf
(
1119 KB
)
Pobierz
ZJAWISKA
POWIERZCHNIOWE
I KATALIZA STOSOWANA
laboratorium
Praktyczne badania aktywności
katalizatorów spalania
Prowadzący: dr inż. Marek Kułażyński
środa 7.30 – 11.00
Bud. F-2
s. 118 K
-1-
1. Wprowadzenie
Spalanie paliw jest głównym źródłem energii pierwotnej. Jednocześnie spalanie
paliw jest głównym źródłem emisji szkodliwych substancji do atmosfery. W trakcie
tych procesów może być wytwarzanych oraz emitowanych ponad 100 różnych
zanieczyszczeń. Doskonalenie procesów spalania ma więc podwójne znaczenie dla
gospodarki. Z jednej strony skutkuje to zmniejszeniem zużycia paliwa, a z drugiej
strony zmniejszeniem emisji szkodliwych substancji. Problem zanieczyszczenia
środowiska naturalnego jest kluczowym problemem współczesnego świata. Nie jest
obecnie możliwe projektowanie urządzeń i maszyn energetycznych bez uwzględnienia
wymogów środowiskowych [1].
W Polsce wytwarza się około 140 mln Mg odpadów rocznie, w tym około
13 mln Mg odpadów komunalnych [2]. Dominującą grupę stanowią odpady stałe. Wiele
składników odpadów ma znaczną wartość energetyczną, co pozwala traktować je jako
paliwa lub surowce do wytwarzania paliw.
Technologia spalania paliw stałych znalazła liczne zastosowania do wytwarzania
energii elektrycznej i ciepła, utylizacji odpadów oraz w wielu dziedzinach przemysłu.
Do niedawna jeszcze praktycznie jedynym paliwem stałym w energetyce
i ciepłownictwie był węgiel. Względy ekonomiczne powodują, że dostępne stają się
węgle importowane oraz takie paliwa, jak koks petrochemiczny, biomasa i odpady stałe.
Paliwa stałe są na ogół pochodzenia organicznego i dlatego ich mechanizm
spalania jest zdominowany przez dwa procesy: termiczny rozkład, z wydzieleniem
produktów lotnych, i heterogeniczne spalanie pozostałości koksowej. Mimo wspólnego
pochodzenia, różnice występujące we właściwościach paliw stałych powodują,
że zwykle wymagają one odrębnych palenisk, natomiast konieczne ograniczenia emisji
zanieczyszczeń można spełniać, starannie dobierając warunki spalania dla danego
paliwa.
Procesy
spalania są największym źródłem zanieczyszczenia powietrza
atmosferycznego, ponieważ oprócz pary wodnej, żaden produkt spalania nie jest
obojętny dla środowiska naturalnego. Dwutlenek węgla, chociaż nie jest gazem
trującym, wydalany podczas spalania paliw kopalnych do atmosfery przyczynia się
zwiększeniu efektu cieplarnianego. Inne, negatywne skutki spalania to wkład do
2
powiększania się dziury ozonowej, kwaśne deszcze, niebezpieczne smogi i inne
zanieczyszczenia powietrza. Zagrożenia dla środowiska naturalnego stwarzają także
popioły i żużle, z których odcieki zanieczyszczają wody gruntowe.
Zasadniczym celem spalania zanieczyszczeń obecnych w gazach odlotowych
jest przekształcanie ich, w możliwie jak najwyższym stopniu, w substancje obojętne lub
mniej toksyczne niż pierwotne.
W wyniku spalania zanieczyszczeń palnych organicznych (węgla) ulegają one
przekształceniu do CO
2
i H
2
O. Podczas spalania związków organicznych siarki, azotu,
chlorowcopochodnych i metaloorganicznych w produktach spalania obecne będą
również tlenki i halogenki wymienionych substancji oraz amoniak i azot.
O efektywności spalania zanieczyszczeń decydują obok właściwego nadmiaru
powietrza, czas kontaktu reagentów, temperatura oraz inne warunki spalania, które
określa kinetyka reakcji. Jednak bardziej ekonomiczną metodą, ze względu na mniejsze
zapotrzebowanie energii jest spalanie katalityczne zanieczyszczeń.
Znaczenie tych zanieczyszczeń dla środowiska naturalnego podkreśla fakt
prawnego ograniczania ich emisji.
Oceny i doboru metody oczyszczania zanieczyszczonych gazów odlotowych
dokonuje się na podstawie kilku kryteriów, jak: niezawodność, wielkość kosztów
inwestycyjnych i eksploatacyjnych, stopień redukcji zanieczyszczeń. Aby usunąć
z gazów odlotowych zanieczyszczenia, stosuje się następujące metody: adsorpcję,
np. na węglu aktywowanym, dopalanie termiczne lub katalityczne, absorpcję
w roztworach lub biofiltrację.
Dopalanie katalityczne stosuje się w przypadku strumieni gazów odlotowych
o niskich lub średnich stężeniach zanieczyszczeń. Utlenianie zanieczyszczeń następuje
na katalizatorze, w znacznie niższych temperaturach niż w przypadku spalania
termicznego. Dzięki temu obniżane są koszty eksploatacyjne. Również żywotność takiej
instalacji, z uwagi na mniejsze obciążenie materiałów, jest wyraźnie większa.
2. Spalanie katalityczne
Spalanie katalityczne zachodzi, wówczas, gdy strumień zanieczyszczonego gazu
w mieszaninie z powietrzem przepływa przez warstwę odpowiedniego katalizatora.
Zadaniem katalizatora jest obniżenie energii aktywacji wymaganej dla przebiegu danej
3
reakcji, w wyniku czego ten sam stopień konwersji osiąga się w niższej temperaturze,
z większą szybkością, w krótszym czasie przebywania.
Głównymi produktami w procesie katalitycznego dopalania związków
chlorooganicznych są: para wodna, dwutlenek węgla i chlorowodór. Obok reakcji
spalania zachodzą również reakcje rozpadu, w wyniku których w zależności od typu
katalizatora może tworzyć się Cl
2
. Zjawisko to występuje szczególnie w przypadku
stosowania katalizatorów tlenkowych, zawierających metale nieszlachetne.
W wyższych temperaturach, w procesie katalitycznego spalania związków
chloroorganicznych (powyżej 350
0
C), może tworzyć się obok chlorowodoru również
chlor. W procesie katalitycznego spalania związków chloroorganicznych są
preferowane katalizatory zawierające metale szlachetne [3, 4].
100
100
90
90
80
70
80
60
50
70
Katalizator manganowy
40
Katalizator palladowy
Katalizator palladowy
Katalizator manganowy
Katalizator platynowo-niklowy
30
60
Katalizator platynowo-
niklowy
20
50
10
0
40
175
200
225
250
275
300
325 350 375
Temperatura [
o
C]
175
200
225
250
275
300
325 350 375
Temperatura [
o
C]
Rys. 1.
Aktywność katalizatorów (świeżych) w
procesie dopalania epichlorohydryny.
Rys. 2
. Aktywność katalizatorów (po 30 h
pracy) w procesie dopalania epichlorohydryny.
Powyższe wykresy (Rys. 1 i 2) przedstawiają wpływ temperatury na stopień
konwersji epichlorohydryny, w zależności od rodzaju stosowanego katalizatora. Wyniki
przedstawione na wykresie 1 odnoszą się do katalizatorów świeżych, natomiast na
wykresie 2 do katalizatorów po ich 30 godzinnej pracy. Dla procesów przebiegających
z użyciem katalizatorów świeżych w temperaturze 200
0
C, stopień usunięcia
epichlorohydryny wynosi ok. 70 %, następnie lekko spada, by w temperaturze 350
0
C
dla katalizatora platynowo-niklowego i palladowego osiągnąć stopień konwersji
wynoszący ok. 99 %. W tej temperaturze dla katalizatora manganowego stopień
konwersji epichlorohydryny wynosi ok. 96 %.W badanym zakresie temperatur
4
najwyższą aktywność wykazuje katalizator manganowy natomiast najniższą katalizator
palladowy.
Podobnie przedstawiają się wyniki dopalania epichlorohydryny na katalizatorach po 30
godzinach pracy, pokazane na wykresie 2. Najwyższą aktywność w zakresie temperatur
od 200 do 340
0
C wykazuje katalizator palladowy, a najniższą katalizator platynowo-
niklowy [5].
Metoda katalitycznego spalania chlorowcopochodnych węglowodorów, która
została opisana w literaturze pozwala na selektywną ich przemianę do chlorowodoru
i dwutlenku węgla. Opracowany katalizator pozwala na stosowanie dużej szybkości
objętościowej przepływu gazu. Jest on bardziej aktywny od katalizatorów chromowo-
glinowych, chociaż nie wykorzystuje on metali szlachetnych jak platyna. Katalizator
powoduje selektywne utlenianie chlorowcowęglowodorów tylko do HCl
i CO
2
. Badania produktów spalania wykazały brak chloru i innych produktów
niepełnego spalania. Ma to istotne znaczenie, ponieważ HCl jako jedyny produkt reakcji
zawierający chlor daje się łatwo usunąć z gazów odlotowych przez wymywanie.
Wilgotność gazu podawanego do reaktora nie wpływa na aktywność katalizatora. Jest
ona natomiast źródłem wodoru przy utlenianiu chlorowcowęglowodorów. Katalizator
nie ulega degradacji pod wpływem chlorowodoru lub wysokiej temperatury. Wykonany
jest w postaci plastra miodu pozwalającego na minimalny spadek ciśnienia w reaktorze.
Pozwala on na przejście pyłów lub innych stałych cząstek zawartych w strumieniu gazu
bez zatykania katalizatora. Powstający w reakcji kwas solny jest skutecznie usuwany
bądź przez wymywanie wodnym roztworem wodorotlenku sodu z utworzeniem solanki,
bądź przez adsorpcję na stałych adsorbentach [6].
3. Spalanie odpadów komunalnych
Szybkość termicznego rozkładu stałych odpadów podczas ich spalania jest
kontrolowana przez strumień ciepła przejmowany od płomienia i nagrzanych stref
paleniska. Cechą charakterystyczną wielu składników odpadów komunalnych jest ich
niewielka grubość (papier, tekstylia, liście) co powoduje, że nagrzewają się szybko.
Istotną przeszkodą dla szybkiego przebiegu pirolizy odpadów komunalnych jest ich
zawilgocenie oraz obecność metali i innych inertnych ciał (kamienie, gruz i inne),
które akumulując ciepło obniżają temperaturę pirolizy i mogą znacznie ją spowolnić.
5
Plik z chomika:
Katarynkakkk
Inne pliki z tego folderu:
Kataliza asymetryczna - organokataliza(1).pdf
(2108 KB)
wszystko o prolinie i jej zastosowaniach - kataliza.pdf
(3364 KB)
Biochemia wykład 3 i 4 - Kataliza, kinetyka(1).pdf
(876 KB)
Biochemia wykład 3 i 4 - Kataliza, kinetyka.pdf
(876 KB)
Praktyczne badania aktywności katalizatorów spalania(1).pdf
(1119 KB)
Inne foldery tego chomika:
Adsorbcja
baza leków
Biotechnologia
BOTANIKA
CD 1(16)
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin