Повышение горючести нефтяного кокса в присутствии катализаторов

«Суть предлагаемой технологии состоит в том, чтобы заставить каждую частицу сжигаемого нефтяного кокса парить в воздухе»

Было время, когда мазут был завершающей стадией переработки нефти. Однако по мере того, как технологии становились более совершенными, конечным ее остатком теперь считается нефтяной кокс.

Ученые ищут способы промышленного применения кокса, и это является непростой задачей. В настоящее время нефтяной кокс в качестве источника углерода используется в металлургии, цементной промышленности, для производства электродов, а также как топливо в энергетическом секторе. Однако наличие в нем тяжелых металлов и большого количества серы ограничивают его использование. Большая часть нефтяного кокса хранится просто на свалках.

Из-за низкой стоимости и относительно высокой калорийности, нефтяной кокс разумнее применять в энергетическом секторе в качестве топлива. Для полного сжигания нефтяного кокса наиболее рациональным подходом является его сжигание в котлах с псевдоожиженным слоем.

Однако «нефтяной кокс из-за своей графитоподобной структуры и низкого содержания летучих веществ воспламеняется с трудом». «Графит горит при температуре 700 °C, а горение нефтяного кокса, в зависимости от его состава, начинается с отметки в 450 °C. Достижение в некоторых случаях таких высоких температур затруднительно и нецелесообразно с экономической точки зрения, поэтому исследователи ведут поиск возможностей снизить температуру сжигания топлива с помощью катализаторов».

В исследовательской работе, опубликованной в журнале ACS Omega [1], для изучения активности катализатора используется так называемый «неподвижный псевдоожиженный слой».

«Суть предлагаемой технологии состоит в том, чтобы заставить каждую частицу нефтяного кокса парить в воздухе. Например, если угольный порошок насыпать в сито, а затем это сито продуть воздухом с обратной стороны, то частицы порошка поднимутся в воздух и распадутся на мириады еще более мелких элементов. Необходимо обеспечить максимальный контакт воздуха со смесью для улучшения ее сгорания».

Технология неподвижного псевдоожиженного слоя уже широко используется за рубежом, но является относительно новой в России. Чтобы улучшить исследовательский процесс, ученые из КФУ смешали частицы кокса с кварцевым песком. Получился своего рода эффект «заморозки» пористого слоя, который упростил изучение процесса горения нефтяного кокса в присутствии катализаторов.

Частицы нефтяного кокса остаются статичными и отделенными друг от друга, имитируя фиксированное положение в псевдоожиженном состоянии. В этом режиме можно без труда проанализировать процесс горения топлива и оценить поведение катализатора в нужный момент.

Это позволило с помощью дифференциальной термографии определить температуру воспламенения частиц в статичном режиме и при этом, анализируя отходящие газы, рассчитать энергию активации горения. В качестве катализаторов для сжигания нефтяного кокса использовались органические и неорганические соли меди, железа и церия.

Поскольку структура нефтяного кокса в основном графитовая, для его сжигания могут быть использованы катализаторы, эффективно используемые в окислении графита. Высокая каталитическая активность в процессах окисления графита оксидами меди вместе с оксидами других переходных металлов способствует значительному снижению температуры его воспламенения.

Полученные результаты показали, что температура воспламенения нефтяного кокса, а также энергия активации его горения были значительно снижены в присутствии CuCl₂ и FeCl₃.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c02250

Источник: Казанский (Приволжский) федеральный университет