Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах
Створено ефективний каталізатор на базі керамічного блокового носія стільникової структури з синтетичного кордієриту з низьким температурним коефіцієнтом лінійного розширення та розроблено безполум’яний генератор тепла на основі спалювання метану або пропан-бутанової суміші. Результати лабораторних...
Saved in:
| Published in: | Наука та інновації |
|---|---|
| Date: | 2016 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2016
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117325 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах / П.Є. Стрижак, С.О. Соловйов, А.І. Трипольський, П.І. Кирієнко, І.Л. Столярчук // Наука та інновації. — 2016. — Т. 12, № 5. — С. 32-46. — Бібліогр.: 23 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-117325 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Стрижак, П.Є. Соловйов, С.О. Трипольський, А.І. Кирієнко, П.І. Столярчук, І.Л. 2017-05-22T14:00:04Z 2017-05-22T14:00:04Z 2016 Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах / П.Є. Стрижак, С.О. Соловйов, А.І. Трипольський, П.І. Кирієнко, І.Л. Столярчук // Наука та інновації. — 2016. — Т. 12, № 5. — С. 32-46. — Бібліогр.: 23 назв. — укр. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin12.05.032 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117325 Створено ефективний каталізатор на базі керамічного блокового носія стільникової структури з синтетичного кордієриту з низьким температурним коефіцієнтом лінійного розширення та розроблено безполум’яний генератор тепла на основі спалювання метану або пропан-бутанової суміші. Результати лабораторних та стендових випробувань показали, що автономні безполум’яні генератори тепла за ефективністю роботи не поступаються зарубіжним аналогам. Налагоджено виробництво автономних безполум’яних каталітичних генераторів тепла та каталізаторів для них. Создан эффективный катализатор на базе керамического блокового носителя сотовой структуры из синтетического кордиерита с низким температурным коэффициентом линейного расширения и разработан беспламенный генератор тепла на основе сгорания метана или пропан-бутановой смеси. Результаты лабораторных и стендовых испытаний показали, что предлагаемые генераторы тепла по эффективности роботы не уступают зарубежным аналогам. Налажено производство автономных беспламенных каталитических генераторов тепла и катализаторов для них. An effective catalyst based on ceramic block support with honeycomb structure made of synthetic cordierite with low coefficient of temperature linear expansion has been developed. Flameless heat generator based on oxidation of methane or propane-butane mixture has been designed. Laboratory and bench testing revealed that the effectiveness of the generators is identical to foreign analogues. The production of self-sustained flameless heat catalytic generators and the catalysts have been adjusted. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Наука та інновації Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах Автономный беспламенный генератор тепла на основе каталитического окиснения метана или пропан-бутановой смеси для обогрева различных объектов, в том числе в полевых условиях Self-Sustained Flameless Heat Generator Based on Catalytic Oxidation of Methane or Propane-Butane Mixture for Various Object Heating Including Field Heating Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах |
| spellingShingle |
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах Стрижак, П.Є. Соловйов, С.О. Трипольський, А.І. Кирієнко, П.І. Столярчук, І.Л. Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України |
| title_short |
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах |
| title_full |
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах |
| title_fullStr |
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах |
| title_full_unstemmed |
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах |
| title_sort |
автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах |
| author |
Стрижак, П.Є. Соловйов, С.О. Трипольський, А.І. Кирієнко, П.І. Столярчук, І.Л. |
| author_facet |
Стрижак, П.Є. Соловйов, С.О. Трипольський, А.І. Кирієнко, П.І. Столярчук, І.Л. |
| topic |
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України |
| topic_facet |
Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України |
| publishDate |
2016 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Наука та інновації |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Автономный беспламенный генератор тепла на основе каталитического окиснения метана или пропан-бутановой смеси для обогрева различных объектов, в том числе в полевых условиях Self-Sustained Flameless Heat Generator Based on Catalytic Oxidation of Methane or Propane-Butane Mixture for Various Object Heating Including Field Heating |
| description |
Створено ефективний каталізатор на базі керамічного блокового носія стільникової структури з синтетичного кордієриту з низьким температурним коефіцієнтом лінійного розширення та розроблено безполум’яний генератор тепла на основі спалювання метану або пропан-бутанової суміші. Результати лабораторних та стендових випробувань показали, що автономні безполум’яні генератори тепла за ефективністю роботи не поступаються зарубіжним аналогам.
Налагоджено виробництво автономних безполум’яних каталітичних генераторів тепла та каталізаторів для них.
Создан эффективный катализатор на базе керамического блокового носителя сотовой структуры из синтетического кордиерита с низким температурным коэффициентом
линейного расширения и разработан беспламенный генератор тепла на основе сгорания метана или пропан-бутановой смеси. Результаты лабораторных и стендовых испытаний показали, что предлагаемые генераторы тепла по эффективности роботы не уступают зарубежным аналогам.
Налажено производство автономных беспламенных каталитических генераторов тепла и катализаторов для них.
An effective catalyst based on ceramic block support with
honeycomb structure made of synthetic cordierite with low
coefficient of temperature linear expansion has been developed.
Flameless heat generator based on oxidation of methane
or propane-butane mixture has been designed. Laboratory
and bench testing revealed that the effectiveness of the
generators is identical to foreign analogues. The production
of self-sustained flameless heat catalytic generators and the catalysts have been adjusted.
|
| issn |
1815-2066 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/117325 |
| citation_txt |
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші для опалення різних об’єктів, в тому числі в польових умовах / П.Є. Стрижак, С.О. Соловйов, А.І. Трипольський, П.І. Кирієнко, І.Л. Столярчук // Наука та інновації. — 2016. — Т. 12, № 5. — С. 32-46. — Бібліогр.: 23 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT strižakpê avtonomniibezpolumâniigeneratorteplanaosnovíkatalítičnogookisnennâmetanuabopropanbutanovoísumíšídlâopalennâríznihobêktívvtomučislívpolʹovihumovah AT soloviovso avtonomniibezpolumâniigeneratorteplanaosnovíkatalítičnogookisnennâmetanuabopropanbutanovoísumíšídlâopalennâríznihobêktívvtomučislívpolʹovihumovah AT tripolʹsʹkiiaí avtonomniibezpolumâniigeneratorteplanaosnovíkatalítičnogookisnennâmetanuabopropanbutanovoísumíšídlâopalennâríznihobêktívvtomučislívpolʹovihumovah AT kiríênkopí avtonomniibezpolumâniigeneratorteplanaosnovíkatalítičnogookisnennâmetanuabopropanbutanovoísumíšídlâopalennâríznihobêktívvtomučislívpolʹovihumovah AT stolârčukíl avtonomniibezpolumâniigeneratorteplanaosnovíkatalítičnogookisnennâmetanuabopropanbutanovoísumíšídlâopalennâríznihobêktívvtomučislívpolʹovihumovah AT strižakpê avtonomnyibesplamennyigeneratorteplanaosnovekatalitičeskogookisneniâmetanailipropanbutanovoismesidlâobogrevarazličnyhobʺektovvtomčislevpolevyhusloviâh AT soloviovso avtonomnyibesplamennyigeneratorteplanaosnovekatalitičeskogookisneniâmetanailipropanbutanovoismesidlâobogrevarazličnyhobʺektovvtomčislevpolevyhusloviâh AT tripolʹsʹkiiaí avtonomnyibesplamennyigeneratorteplanaosnovekatalitičeskogookisneniâmetanailipropanbutanovoismesidlâobogrevarazličnyhobʺektovvtomčislevpolevyhusloviâh AT kiríênkopí avtonomnyibesplamennyigeneratorteplanaosnovekatalitičeskogookisneniâmetanailipropanbutanovoismesidlâobogrevarazličnyhobʺektovvtomčislevpolevyhusloviâh AT stolârčukíl avtonomnyibesplamennyigeneratorteplanaosnovekatalitičeskogookisneniâmetanailipropanbutanovoismesidlâobogrevarazličnyhobʺektovvtomčislevpolevyhusloviâh AT strižakpê selfsustainedflamelessheatgeneratorbasedoncatalyticoxidationofmethaneorpropanebutanemixtureforvariousobjectheatingincludingfieldheating AT soloviovso selfsustainedflamelessheatgeneratorbasedoncatalyticoxidationofmethaneorpropanebutanemixtureforvariousobjectheatingincludingfieldheating AT tripolʹsʹkiiaí selfsustainedflamelessheatgeneratorbasedoncatalyticoxidationofmethaneorpropanebutanemixtureforvariousobjectheatingincludingfieldheating AT kiríênkopí selfsustainedflamelessheatgeneratorbasedoncatalyticoxidationofmethaneorpropanebutanemixtureforvariousobjectheatingincludingfieldheating AT stolârčukíl selfsustainedflamelessheatgeneratorbasedoncatalyticoxidationofmethaneorpropanebutanemixtureforvariousobjectheatingincludingfieldheating |
| first_indexed |
2025-11-25T23:52:47Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:52:47Z |
| _version_ |
1850588845795442688 |
| fulltext |
32
ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5): 32—46 doi: http://dx.doi.org/10.15407/scin12.05.032
© П.Є. СТРИЖАК, С.О. СОЛОВЙОВ,
А.І. ТРИПОЛЬСЬКИЙ, П.І. КИРІЄНКО,
І.Л. СТОЛЯРЧУК, 2016
Створено ефективний каталізатор на базі керамічного блокового носія стільникової структури з синтетичного кор-
дієриту з низьким температурним коефіцієнтом лінійного розширення та розроблено безполум`яний генератор тепла
на основі спалювання метану або пропан-бутанової суміші. Результати лабораторних та стендових випробувань по-
казали, що автономні безполум’яні генератори тепла за ефективністю роботи не поступаються зарубіжним аналогам.
Налагоджено виробництво автономних безполум’яних каталітичних генераторів тепла та каталізаторів для них.
К л ю ч о в і с л о в а: каталітичний генератор тепла, каталізатор безполум’яного горіння метану або пропан-бутано-
вої суміші, блоки стільникової структури, кордієрит.
П.Є. Стрижак, С.О. Соловйов, А.І. Трипольський, П.І. Кирієнко, І.Л. Столярчук
Інститут фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України,
просп. Науки, 31, Київ, 03028, Україна; тел. +38 (044) 525-76-00
АВТОНОМНИЙ БЕЗПОЛУМ’ЯНИЙ ГЕНЕРАТОР ТЕПЛА
НА ОСНОВІ КАТАЛІТИЧНОГО ОКИСНЕННЯ МЕТАНУ
АБО ПРОПАН-БУТАНОВОЇ СУМІШІ ДЛЯ ОПАЛЕННЯ РІЗНИХ
ОБ’ЄКТІВ, В ТОМУ ЧИСЛІ В ПОЛЬОВИХ УМОВАХ
Спалювання твердих, рідких та газових па-
лив у каталітичних генераторах — ефективний
та екологічно чистий спосіб одержання теплової
енергії. Актуальність проблеми обумовлена су-
часними тенденціями розвитку паливно-енер-
гетичного комплексу, які полягають в переході
від централізованого тепло- та електропоста-
чання до комбінованого, що включає автономні
енергетичні установки різної теплової потуж-
ності. Каталітичне безполум’яне спалювання
є ефективним енерго- та ресурсозберігаючим
спо собом використання твердого, рідкого і га-
зоподібного органічного палива. Наведемо ос-
новні переваги каталітичного безполум’яного
спалювання порівняно з факельним спалюван-
ням у полум’ї:
1) повнота спалювання палива, що сприяє
підвищенню ККД до 97—99 %;
2) зниження температури процесу горіння
від 1000—1200 до 300—700 °С за умови збере-
ження високої інтенсивності горіння;
3) повне згорання як «бідних», так і стехіо-
метричних паливно-повітряних сумішей;
4) зменшення викидів у атмосферу шкідли-
вих газів, зокрема СО та NO
x, як результат зни-
ження температури горіння та більш повного
спалювання палива;
5) використання більш дешевих конструк-
ційних матеріалів за рахунок зниження темпе-
ратури процесу.
Каталітичне спалювання принципово від-
різ няється від факельного (гомогенного) го-
ріння, оскільки на поверхні твердих каталіза-
торів паливо окиснюється без утворення по-
лу м’я. Дія каталізаторів у процесі повного
окис нення (гетерогенного «горіння») паливно-
повітряних су мішей полягає у хімічній взає-
модії компонен тів палива з поверхневим кис-
нем каталізатора з подальшою регенерацією
33ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші
відновленої поверхні каталізатора киснем га-
зової фази. Газове паливо має низку переваг
перед твердим та рідким: більш дешеве та
швидко змішується з повітрям, що дозволяє
проводити спалювання газу з меншим над-
лишком окиснювача. При сутність у реакцій-
ній системі каталізатора знижує температуру
спалювання газового палива з 1000—1200 до
300—700 °С при збереженні високої інтенсив-
ності горіння і забезпечує пов не згорання
паливно-повітряних сумішей у ши рокому діа-
пазоні співвідношень паливо/повіт ря, вклю-
чаючи стехіометричні суміші. Особ ли во важ-
ливим є те, що каталізатор забезпечує повну
конверсію палива в продукти глибокого окис-
нення і запобігає утворенню шкідливих вики-
дів монооксиду вуглецю та органічних спо-
лук — продуктів неповного згоряння вугле-
воднів. Основою каталізаторів глибокого окис-
нення газових палив є пористі оксидні носії,
на які наносяться активні компоненти, що міс-
тять благородні метали (головним чином —
пла тину і паладій). Як носії каталізаторів ши-
роко застосовуються численні кристалічні мо-
дифікації оксиду алюмінію, які визначають
кінцеві властивості: мікропористість, розподіл
пор за розмірами і питому поверхню.
На практиці зазвичай використовуються
гранульовані носії у вигляді екструдатів і ку-
льок, які приготовлені з оксидного матеріалу
(напр., оксиду алюмінію для каталізаторів спа-
лювання палив в нерухомому насипному або
в псевдозрідженому шарі каталізатора). Важ-
ливим напрямком приготування структуро-
ваних носіїв є так звана «подвійна порува-
тість». Для цього на зовнішню поверхню і в
пори керамічного матеріалу (стільникового
блоку або пористого матеріалу з високою про-
никністю) з діаметрами від 500 нм до декіль-
кох мікронів наносять оксиди з розвиненою
питомою поверхнею та мезо- або мікропорис-
тою структурою [1].
Найбільш розповсюдженими каталізатора-
ми безполум’яного спалювання вуглеводнево-
го палива є композиції на основі металів плати-
нової групи (МПГ) та оксидів 3d-металів або їх
комбінації, нанесені на інертний носій, який
ви значає макроструктуру каталізатора.
Оксиди перехідних металів (Сu, Cr, Mn, Co
та ін.) є економічною альтернативою благород-
ним металам як каталізатори спалювання па-
лив. Однак прості оксиди схильні до спікання
при високих температурах та взаємодії з мате-
ріалом носія з наступним утворенням нових
малоактивних фаз. Тому часто використову-
ють високотемпературні фази оксидів, такі, як
гекса-алюмінати, котрі одтримують, наприклад,
у результаті високотемпературної взаємодії ок-
сидів марганцю та оксиду алюмінію. Загальним
недоліком каталізаторів, які не містять в своє-
му складі МПГ, зокрема описаних в патентах
[2—7], є висока температура на початку робо-
ти, необхідність використання додаткового ка-
талізатора (на основі МПГ) для процесу «запа-
лювання» та неповне згоряння вуглеводневого
палива. Згадані недоліки не дозволяють вико-
ристовувати вказані каталізатори для портатив-
них каталітичних генераторів тепла на основі
безполум’яного спалювання вуглеводневого па-
лива в закритих приміщеннях.
Найбільш ефективними каталізаторами без-
полум’яного горіння органічних палив, зокре-
ма С
1—С4-вуглеводнів, є нанесені системи, що
містять платину з розміром частинок 1—5 нм
[8]. Нанорозмірні платинові каталізатори не
мають собі рівних за активністю, забезпечен-
ням повноти згоряння палива, за термічною і
хімічною стійкістю. Недоліком таких каталі-
заторів є висока вартість активного компо-
нента, летючість платини при температурах,
вищих 800 °С, а також отруєння сірчистими
сполуками. Мож ли вість використання пала-
дієвих каталізаторів обмежується температу-
рою 700—800 °С [9].
Як носії каталізаторів широко застосову-
ються різні кристалічні модифікації оксиду
алюмінію, які визначають структурні влас-
тивості: мікропористість, розподіл пор за
роз мірами та питому поверхню [10]. Для під-
вищення термічної стабільності каталізато-
34 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
П.Є. Стрижак, С.О. Соловйов, А.І. Трипольський, П.І. Кирієнко, І.Л. Столярчук
рів безполум’яного спалювання горючих га-
зів до їх складу вводять модифікуючі добав-
ки — оксиди лантану, церію, магнію, строн-
цію тощо.
Існує безліч каталітичних генераторів те-
пла: реактори із псевдозрідженим шаром гра-
нульованих каталізаторів; реактори з нерухо-
мим шаром гранульованих, стільникових, во-
локнистих каталізаторів [11—14]. Відомі та-
кож каталітичні генератори тепла потужністю
до 200 кВт і вище, що працюють за принципом
спалювання палива у псевдозрідженому шарі
каталізатора. У таких каталітичних генерато-
рах тепла (КГТ) окиснення палива відбува-
ється на поверхні гра нул спеціальних оксид-
них каталізаторів, підтри муваних в псевдо-
зрідженому стані в потоці палива, повітря і
продуктів горіння. Відведення тепла з шару
здійснюється через теплообмінні поверхні, що
знаходяться в шарі, або шляхом прямого кон-
такту каталізатора з робочим тілом. Зазначені
каталітичні генератори завдяки їх знач ній ма-
сі та великим габаритам придатні для вико-
ристання лише в стаціонарних умовах.
Спільною ознакою способів приготування
каталізатора на основі Pt є використання пла-
тини як активного компонента та блоків стіль-
никової структури для нанесення активних ком-
понентів.
Слід відмітити, що широкому використанню
процесів каталітичного спалювання вуглевод-
невого палива перешкоджає відсутність ефек-
тивних каталізаторів досконалого дизайну, які
задовольняють низці жорстких вимог: низька
температура на початку реакції окиснення вуг-
леводневого палива, висока термічна й хіміч-
на стійкість, високі продуктивність і селектив-
ність по продуктах повного окиснення орга-
нічних молекул (до 100 %), невеликий вміст
активного компонента, низький газодинаміч-
ний опір тощо.
Метою даної роботи стала розробка блоко-
вих каталізаторів стільникової структури, які
в найбільшій мірі відповідають вищезазначе-
ним вимогам.
РОЗРОБКА КАТАЛІЗАТОРІВ СТІЛЬНИКОВОЇ
СТРУКТУРИ ДЛЯ БЕЗПОЛУМ’ЯНОГО СПАЛЮВАННЯ
ВУГЛЕВОДНЕВОГО ГАЗОВОГО ПАЛИВА
(МЕТАНУ ТА ПРОПАН-БУТАНОВОЇ СУМІШІ)
ПРИ МІНІМАЛЬНОМУ НАДЛИШКУ КИСНЮ
Основними складовими блокових каталіза-
торів є каркас — блочний носій з системою по-
вздовжніх отворів — та каталітично-активне
покриття на поверхні блоку [15—19].
Каркас каталізатора визначає його макро-
структуру, газодинамічний опір та механічну
міцність. Серед різних систем, які можуть бути
використані як носій, найбільш привабливи-
ми є блоки стільникової структури із синте-
тичного кордієриту (синтетична кераміка за-
гальною формулою 2MgO.2Al2O3
.5SiO2). Та кий
матеріал характеризуються низьким коефіці-
єнтом лінійного розширення та термічною стій-
кістю до 1200 °С, що дуже важливо, оскільки
каталізатор безполум’яного горіння при його
«запалюванні» завжди піддається «тепловому
удару». За каркаси блочного каталізатора бу-
ли обрані блоки із синтетичного кордієриту
круглої та квадратної форми, виготовлені Ін-
ститутом проблем матеріалознавства (ІПМ)
ім. І.М. Францевича НАН України та ТОВ
«Технокерам» (м. Біла Церква). Загальний ви-
гляд їх наведено на рис.1.
Склад та фізико-хімічні характеристики по-
криття блоків визначають їх каталітичні власти-
вості. Активними компонентами каталізаторів,
які здатні забезпечувати повне згоряння вугле-
воднів і які характеризується невисокою темпе-
ратурою запалювання, були обрані складні ок-
сидні композиції (CuCr
2O4, Mn3O4), в тому чис-
лі модифіковані оксидами рідкісноземельних
металів (La2O3), та металічна платина. Однак,
зважаючи на високу вартість платини, її вміст в
каталізаторі має бути якомога меншим. Цього
можна досягти за рахунок диспергування пла-
тини на поверхні і в порах вторинного носія.
Присутність вторинного носія в складі струк-
турованих каталізаторів на керамічній основі
обумовлена кількома причинами. В першу чер-
гу, це збільшення поверхні носія перед нанесен-
35ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші
ням активних компонентів. Роль вторинного
носія також полягає в забезпеченні стабільного
і міцного зв’язку каталітично активних компо-
нентів з матеріалом носія, підвищенні термічної
стійкості каталізатора, забезпеченні необхідної
морфології поверхні, збільшенні дисперсності
активних компонентів, що сприяє підвищенню
каталітичної активності контакту.
Як вторинні носії зазвичай використовують-
ся Al2O3, ZrO2, SiO2, алюмосилікати, тобто тер-
мічно стабільні системи, які здатні формувати
на поверхні керамічної матриці власну пору-
вату структуру з необхідними характеристи-
ками і високою адгезією до поверхні блокового
носія [20, 21]. Нами було обрано оксид алюмі-
нію, який відзначається достатньою термоста-
більністю, хімічною інертністю до компонен-
тів палива та має розвинену порувату структу-
ру. Характеристики покриття на основі оксиду
алюмінію суттєво залежать від умов його на-
несення — складу розчину, умов формування
покриття, режиму термообробки та модифіку-
ючих добавок.
Було розроблено метод синтезу дрібнодис-
персного мезопористого вторинного носія на ос-
нові Al2O3, який може бути використаний при
формуванні шару вторинного носія на поверх-
ні керамічних блокових матриць стільникової
структури. За результатами рентгенофазового
аналізу отриманий оксид алюмінію пред став-
ляє собою суміш аморфного та γ-мо ди фі ко ва но-
го Al2O3. Кристалізація матеріалу в фазу γ-Al2O3
відбувається при прожарюванні матеріалу при
температурі 850 °С. Величина питомої поверх-
ні отриманого оксиду алюмінію не поступаєть-
ся промисловому носію на основі γ-Al2O3. Тер-
мічна стійкість поруватої структури синтезова-
ного Al2O3 досягає 850 °С. З підвищенням тем-
ператури вище 850 °С спостерігається стрімке
зменшення величини питомої поверхні носія.
Підвищити стійкість пористої структури
ок сиду алюмінію до спікання можна шляхом
модифікування його рідкісноземельними еле-
ментами [22, 23]. Зокрема нами було дослі-
джено вплив додавання суміші нітратів La, Ce,
Sm і Pr на термічну стійкість шару вторинного
покриття. За результатами, наведеними у табл.
1, можна зробити висновок, що існує діапазон
концентрацій оксидів рідкісноземельних еле-
ментів (ОРЗЕ), у якому досягається ефект
тер мостабілізації. Збільшення вмісту ОРЗЕ
від 3 до 10 % не призводить до зростання пито-
мої по верхні Al2O3 і підвищення його терміч-
ної стійкості. Згідно з даними рентгено-фото-
елек т рон ної спектроскопії (РФА) (рис. 2), це
може бути обумовлено формуванням фаз зна-
чної кількості алюмінатів рідкісноземельних
елементів. Зазначені ОРЗЕ не характеризу-
ються розвинутою пористою структурою і то-
му внаслідок їх кристалізації також можливе
Рис. 1. Загальний вигляд каркаса каталітичного блоку,
виготовленого: а — Інститутом проблем матеріалознавства
ім. І.М. Францевича НАН України; б — ООО «Технокерам»,
м. Біла Церква
а
б
36 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
П.Є. Стрижак, С.О. Соловйов, А.І. Трипольський, П.І. Кирієнко, І.Л. Столярчук
зниження питомої поверхні. Тому доцільно
використову вати вторинний носій з вмістом
ОРЗЕ не вище 3,0—5,0 мас. %.
На рис. 3 представлена зміна питомої по-
верхні блоку після нанесення на його поверхню
оксиду алюмінію з розчинів оксинітрату алю-
мінію та суміші оксинітрату алюмінію і солей
рідкісноземельних металів. Суттєвий ефект
тер мостабілізації вторинного носія спостері-
гається при температурах вище 850 °С.
Було виготовлено та досліджено серію ка-
талізаторів, нанесених на кордієритну мат-
рицю оксидної системи на основі шпінелей
(CuCr2O4, СuСо2O4, Mn3O4) та платини.
Рис. 2. Дифрактограми оксиду алюмінію, отриманого шля-
хом розкладу суміші солей алюмінію (Al(OH)l(NO3)m ×
× nH2O, де l = 1—3; m = 1—2; n = 0—2), в тому числі мо-
дифікованого ОРЗЕ, після термообробки при 850 °С: а —
Al2O3, б — Al2O3+3,0 % ОРЗЕ, в — Al2O3+5,0 % ОРЗЕ, г —
Al2O3+10,0 % ОРЗЕ
Таблиця 1
Результати випробування блокових каталізаторів
безполум’яного спалювання пропан-бутанової суміші
Каталізатор
Вміст продуктів неповного згоряння в газовій суміші після каталізатора, %
(через 10 хв 5 год роботи)
СО, % Вуглеводні (в перерахунку на С3Н8), %
10 % CuCr2O4/Al2O3 / кордієрит 3,5 0,34
10 % СuСо2O4/Al2O3 / кордієрит 2,2 0,21
10 % Mn3O4—BaO—La2O3/Al2O3 / кордієрит 2,6 0,19
0,5 % Pt/Al2O3 / кордієрит Не виявлено / не виявлено 0,005 % / 0,0045 %
0,1 % Pt / Al2O3 / кордієрит 0,002 / 0,0007 0,007 % / 0,008 %
0,1 %Pt/Al2O3 + 3 %ОРЗЕ / кордієрит Не виявлено / не виявлено 0,0018 % / не виявлено
0,1 % Pt / Al2O3 + 5 % ОРЗЕ / кордієрит Не виявлено / не виявлено 0,0015 % / не виявлено
0,1 % Pt/ Al2O3 + 10 % ОРЗЕ / кордієрит Не виявлено / не виявлено 0,009 % / не виявлено
0,1 % Pt / кордієрит 0,02 / 0,02 0,01 % / 0,01 %
Блок без каталітичного покриття (горіння
з полум’ям)
0,023 / 0,028 0,021 % / 0,025 %
Рис. 3. Залежність питомої поверхні блоків, вкритих вто-
ринним носієм шляхом просочення їх розчинами оксині-
трату алюмінію 5,8 мас. % (крива 1) та оксинітрат + солі
рідкісноземельних елементів 5,6 мас. % (5 мас. % від маси
покриття в перерахунку на ОРЗЕ). Час термообробки в
кожній точці — 3 год
37ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші
На рис. 4 наведена мікрофотографія поверх-
ні каталітично активного покриття блоку у ви-
гляді металічної платини. Наночастинки пла-
тини сформовані у покритті, отриманому шля-
хом термічного розкладу нітрату алюмінію,
мають розміри в діапазоні 8—15 нм (рис. 4, а).
Після роботи каталізатора протягом кількох
годин (витримування в реакційній суміші або
безпосереднє використання в процесі без по лу-
м’я ного спалювання вуглеводневого газу) від-
бувається їх часткова агломерація (рис. 4, б),
що викликано недостатньою стабілізацією по-
криття та його здатністю компенсувати над-
лишковий заряд поверхні наночастинок без пе-
решкоди їх агломерації.
При використанні блоків з оксидом алюмі-
нію, нанесеним за розробленою методикою, в
матриці носія формуються наночастинки пла-
тини в діапазоні 3—6 нм (рис. 4, в). Після робо-
ти каталізатора спостерігається їх часткова
агломерація до розмірів 4—8 нм (рис. 4, г).
У табл. 2 і 3 наведені результати випробу-
вання блокових каталізаторів як елементів
генераторів тепла на основі безполум’яного
спалювання.
Результати випробування виготовлених ка-
талізаторів, наведених в табл. 2 і 3, свідчать, що
оксидні системи на основі шпінелей (CuCr
2O4,
СuСо2O4, Mn3O4) не забезпечують повного зго-
ряння палива, в продуктах зго ряння також на-
явна значна кількість СО. При чи нами незадо-
вільної роботи можуть бути низька активність,
недостатня температура при ав торозігріванні
та брак кисню. Пла тиновий каталізатор забез-
печує повне згоряння пропан-бутанової суміші
(побутового газу) при температурі до 500 °С за
відсутності у вихідному газі СО (концентрація
СО нижча від дозволеної для побутових при-
ладів (до 200 ppm ) або взагалі СО відсутній).
Наявність ОРЗЕ сприяє створенню накопичу-
вальної ємності по кисню в каталізаторі, що
важливо при використанні паливних сумішей
зі складом горючий газ/окисник, близьких до
стехіометрії.
Додавання сполук рідкісноземельних еле-
ментів (ОРЗЕ: оксиди La, Ce, Sm, Pr,) сприяє
10 nm 10 nm 10 nm
10 nm 10 nm 10 nm
а б в
г д е
Рис. 4. Мікрофотографія ПЕМ каталітично активного покриття, знятого з поверхні каталітичного блоку — наночас-
тинки платини в матриці з оксиду алюмінію, отриманого шляхом розкладу нітрату алюмінію (а, б), оксинітрату алю-
мінію (в, г) та оксинітрату алюмінію, модифікованого ОРЗЕ (5 %) (д, е), до (а, в, д) та після роботи (б, г, е) блоку
38 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
П.Є. Стрижак, С.О. Соловйов, А.І. Трипольський, П.І. Кирієнко, І.Л. Столярчук
отриманню покриттів з високою термічною
стійкістю, що стабілізує наночастинки плати-
ни в матриці вторинного носія (рис. 4, д, е). Це
певною мірою зумовлено стабілізацією як вто-
ринного носія — оксиду алюмінію (про що мож-
на зробити висновок, співставляючи рис. 3 і
4), — так і самих наночастинок завдяки їх вза-
ємодії з ОРЗЕ. Зокрема, наявність ОРЗЕ сприяє
підтриманню поверхні наночастинок платини
в частково окисненому стані Ptn
δ+, в тому числі
внаслідок утворення поверхневих сполук з
ОРЗЕ (за аналогією до паладію [23]). Також у
контакті взаємодії заряджених частинок ви-
никає кислотно-основна пара, необхідна для
кращої адсорбції та активації вуглеводню пе-
ред його окисненням киснем.
Таблиця 2
Результати випробування блокових
каталізаторів безполум’яного спалювання метану
Каталізатор
Вміст продуктів неповного згоряння в газовій суміші після каталізатора
(через 10 хв / 5 год роботи) , %
СО, % Вуглеводні (в перерахунку на С3Н8), %
0,5 % Pt / Al2O3 / кордієрит Не виявлено / не виявлено 0,006 / 0,0055
0,1 % Pt / Al2O3 / кордієрит 0,003 / 0,0008 0,008 / 0,009
0,1 % Pt/ Al2O3 + 3 % ОРЗЕ / кордієрит Не виявлено / не виявлено 0,0021 / не виявлено
0,1 % Pt / Al2O3 + 5 % ОРЗЕ / кордієрит Так само 0,0017 / не виявлено
0,1 % Pt /Al2O3 + 10 % ОРЗЕ / кордієрит » » 0,0098 / не виявлено
0,1 % Pt / кордієрит 0,03 / 0,03 0,012 / 0,012
Блок без каталітичного покриття (горіння
з полум’ям)
0,036 / 0,046 0,023 / 0,028
Таблиця 3
Результати лабораторних досліджень
горючих газів на виході з генератора тепла
Каталізатор,
№ зразка
Спалювання метану Спалювання пропан-бутанової суміші
СО / NOx
Вуглеводні
(в перерахунку на НС1), %
СО, NOx
Вуглеводні
(в перерахунку на НС1) , %
1 Не виявлено 0,005 Не виявлено 0,004 / 0,0045
2 0,0003 % СО / не виявлено 0,007 » » 0,0036
3 Не виявлено 0,007 » » 0,0028
4 » » 0,009 » » 0,0028
5 » » 0,007 » » 0,0029
6 0,0002 % СО / не виявлено 0,007 » » 0,0026
7 Не виявлено 0,007 » » 0,0029
8 » » 0,007 » » 0,0038
9 0,0003 % СО / не виявлено 0,009 » » 0,0036
10 Не виявлено 0,007 » » 0,0031
39ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші
ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОГО
ПРОЦЕСУ ВИГОТОВЛЕННЯ КАТАЛІЗАТОРІВ
Основними етапами процесу виготовлення
каталізатора для безполум’яного спалювання
вуглеводневого газового палива є приготуван-
ня розчинів для нанесення вторинного носія,
безпосереднє формування шару вторинного
носія та нанесення активного компонента —
платини — на модифіковані керамічні блочні
матриці стільникової структури.
Згідно з вищезазначеним технологічний про-
цес виробництва каталізаторів для без по лу м’я-
ного спалювання вуглеводневого газового па-
лива включає такі стадії:
приготування розчину для нанесення шару
вторинного носія;
нанесення шару вторинного носія;
нанесення активного компонента — платини.
Для приготування каталізатора використо-
вували блок із синтетичного кордієриту роз-
мірами 132 × 92 × 13 мм з каналами діаметром
1 мм (рис. 4).
Синтез розчинів
для нанесення вторинного носія
Азотнокислий алюміній Al(NO3)3 · 9H2O ви-
сушували у сушильній шафі при температурах
130—160 °С протягом 14—20 год до утворен ня
оксинітрату алюмінію Al(OН)l(NO3)m · nH2O.
Співвідношення азотнокисного алюмінію до
оксинітрату алюмінію, який утворюється при
термічному розкладі, має досягти 2,5—2,7 : 1.
Необхідну кількість суміші нітрату та окси-
нітрату алюмінію розчиняли при кімнатній
тем пературі у воді. Розчин доводили до ки-
піння. При постійному перемішуванні добав-
ляли нітрат амонію (або 25%-ий розчин аміа-
ку) і кип’ятили до повного розчинення осаду і
утворення прозорого колоїдного розчину гус-
тиною 1,4 г/см3. Концентрацію розчину коре-
гували додаванням води або азотнокисного
алюмінію Al(NO3)3 · 9H2O і оксинітрату алюмі-
нію Al(OH)2(NO3) · H2O. Вміст солей алюмінію
(в перерахунку на Al2O3) — 0,15 г/мл. Величина
рН розчину — 3,0—3,5.
Для модифікування оксиду алюмінію вико-
ристовували La(NO)3 · 6H2O, Sm(NO)3 · 6H2O,
Cе(NO3)3 · 6H2O і Pr(NO3)3 · 6H2O. Їх концен-
трація в складі вторинного носія (в перерахун-
ку на оксиди) складає 3—10 % від маси Al2O3.
Розраховану кількість солей рідкісноземельних
елементів додавали в розчин для нанесення ок-
сиду алюмінію. Рекомендований вміст со лей рід-
кісноземельних елементів у готовому елементі
становив 3—5 % від маси вторинного носія.
Нанесення шару вторинного носія
Для приготування каталізатора керамічний
блок занурювали у розчин солей алюмінію і
рідкісноземельних елементів потрібної кон-
центрації. Після витримування блоку в розчи-
ні (2—3 хв) залишки розчину видували з пор
та стінок блоку стисненим повітрям та висушу-
вали зразок при температурі 100—120 °С, по-
тім прожарювали при температурі 500—600 °С
протягом 3—4 год. Питома поверхня блоку
зростає з 0,45—0,5 м2/г до 5,2—6,0 м2/г.
Нанесення активного компонента (платини)
Введення активного компонента в кераміч-
ну блочну матрицю, модифіковану шаром вто-
ринного носія і стабілізуючими добавками,
здійснювали шляхом їх просочення водним
розчином платино-хлористо-водневої кисло-
ти Н2PtCl6 за вологоємністю, величина якої
складає близько 20—22 %.
Після просочування блоки продували пові-
трям для видалення залишків розчину, суши-
ли в потоці повітря при температурі 100—
120 °С протягом трьох годин і прожарювали
при температурі 550 °С в атмосфері повітря
протягом чотирьох годин. Вміст платини в ка-
талізаторі має становити 0,10 %.
Для активації платини необхідна попередня
термічна обробка каталізатора в реакційній
су міші, що містить відновник і окисник (напр.,
вуглеводень, СО або водень у повітрі). Од но-
часна присутність кисню в реакційній суміші
дозволяє не знижувати накопичувальну єм-
ність ОРЗЕ, присутніх в каталізаторі.
40 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
П.Є. Стрижак, С.О. Соловйов, А.І. Трипольський, П.І. Кирієнко, І.Л. Столярчук
РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ
КАТАЛІТИЧНОГО ГЕНЕРАТОРА ТЕПЛА
НА ОСНОВІ БЕЗПОЛУМ’ЯНОГО СПАЛЮВАННЯ
МЕТАНУ АБО ПРОПАН-БУТАНОВОЇ СУМІШІ
У процесі розробки конструкції генератора
тепла були розглянуті різні варіанти конструк-
тивного виконання деталей виробу:
можливість установки каталітичного блоку
без посередньо на корпусі камери змішуван-
ня (можливі складнощі при проведенні ре-
монту і заміни каталітичного блоку) та в
касеті (підвищення ремонтопридатності, мож-
ливість швидкої заміни касети з каталітич-
ного блоку);
розміщення і форма верхніх настановних
ґраток (вигнута вгору або вниз, обмеження
ковзання ґраток по торцю випромінювача,
можливість установки на ґратки консервної
банки стандартного діаметра до 100 мм);
з урахуванням можливого використання ге-
нератора тепла в польових умовах було ви-
рішено застосувати для захисту перфорацій-
них отворів каталітичний блок — стандартну
декоративну сітку (одночасно сітка служить
для захисту крихких керамічних плиток від
ударів і оберігання від падіння на них сто-
ронніх предметів);
фіксація ніпеля в посадочному отворі па-
трубка здійснюється двома гайками (поса-
дочний отвір, виконаний з забезпеченням
можливо точного осьового положення стру-
меня газу для регулювання положення со-
пла відносно входу в корпус камери змішен-
ня використовували регулювальні прокла-
дення завтовшки 0,5 мм);
для оберігання сопла інжектора від засмічен-
ня (при транспортуванні і в неробочому ста-
ні) застосовували знімну захисну кришку.
Найбільш простим і надійним, тобто таким,
що одночасно забезпечує швидке розбирання і
складання при ремонті, є таке конструктивне
виконання. При виборі матеріалу деталей на-
грівача враховувались такі чинники:
матеріал має бути корозійностійким, жаростій-
ким, таким, що має стійкість проти атмосфер-
ної корозії і хімічного руйнування в газових
середовищах при температурах вище 550 °С;
матеріал повинен добре оброблятися і зва-
рюватися.
Виконання деталей з алюмінієвовмісних спла-
вів неможливе через високу температуру всере-
дині камери змішування — ~500 °С. З урахуван-
ням вищезазначеного для виконання основних
деталей генератора тепла була вибрана корозій-
ностійка сталь марки 12Х18Н10Т — жаростійка,
з температурою на початку інтенсивного окали-
ноутворення 850 °С, різного сортаменту, що ціл-
ком задовольняє вимогам до виробу.
Безполум’яний автономний генератор тепла є
збірною конструкцією, яка виконана з можли-
вістю швидкого складання—розбирання при про-
веденні ремонту. Заміна керамічних плиток ро-
биться одночасно із заміною усієї касети. Ге не-
ратор містить встановлену в інжекційному змі-
шувачі форсунку палива і розподільну камеру,
закриту запобіжними металевими ґратками. Ви-
хід дифузора закритий розсіювачем, блок випро-
мінювання виконаний з багатошарового каталі-
тичного матеріалу, а запобіжні ґрати являють
собою металеву сітку, що забезпечує підвищену
тепловіддачу при безшумній роботі виходу ро-
бочої газоповітряної суміші, у складі якої прак-
тично відсутні оксиди азоту і чадний газ (CO).
Підпалювання газу проводиться сірником або
запальничкою при знятій ґратці. Мож ли вість
ремонту генератора забезпечується простотою
конструктивного виконання і використанням
для кріплення і збірки стандартних деталей, ви-
даленням забруднень, які потрапили на сітку.
РЕЗУЛЬТАТИ ВИПРОБУВАНЬ
ГЕНЕРАТОРА ТЕПЛА НА ОСНОВІ
БЕЗПОЛУМ’ЯНОГО СПАЛЮВАННЯ МЕТАНУ
АБО ПРОПАН-БУТАНОВОЇ СУМІШІ
Експериментальні дослідження режимів ро-
боти генератора були виконані на спеціально
обладнаному стенді. Метою випробування ав-
тономного безполум’яного генератора тепла на
основі каталітичного окиснення метану або про-
пан-бутанової суміші було підтвердження мож-
41ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші
ливості безпечного використання його для до-
даткового або основного автономного опален ня
побутових, господарських чи військових об’єк-
тів, заміських будинків, майстерень, складських
приміщень, гаражів, для роботи в польових умо-
вах, а також для геологічних, будівельних та
сільськогосподарських ро біт. Умови випробу-
вань були максимально наближені до експлуа-
таційних: зразок генератора тепла випробували
на газоподібних паливах (метан або пропан-бу-
танова суміш), для яких він призначений.
У процесі випробувань було визначено:
об’ємну швидкість газу V, м3/год;
надійність та стабільність роботи зразка ге-
нератора тепла;
відсутність викидів шкідливих продуктів
згоряння СО та NOx;
повноту згоряння палива;
відтворюваність результатів випробувань та
відпрацювання режимів роботи;
відсутність полум’я у видимому діапазоні.
Дослідження зразків каталітичних блоків
автономного безполум’яного генератора теп-
ла на основі процесу каталітичного окиснен-
ня газоподібного палива проводили з вико-
ристанням лабораторного стенду. Загальний
вигляд автономного безполум’яного генера-
тора наведений на рис. 5.
МЕТОДИКА АНАЛІЗУ ГАЗУ
НА ВИХОДІ З ГЕНЕРАТОРА ТЕПЛА
Відбір проби газу після пальника проводили
через 0,5 год роботи з використанням лабора-
торного газового шприца об’ємом 100 мл. Вка-
заний об’єм відбирали на висоті 7—9 см від ка-
талізатора шляхом установлення на робочий
елемент труби, рівноцінної йому за діаметром.
Таку процедуру відбору використовували для
вирівнювання градієнту концентрації газу. Газ
на хроматограф подавали шляхом пропускан-
ня відібраної проби (100 мл) через хроматогра-
фічні крани з петлями об’ємами 1 мл (при аналі-
зі з використанням детектора теплопровіднос-
ті — ДТП) та 0,1 мл (при аналізі з використан-
ням полум’яно-іонізаційного детектора — ПІД).
Рис. 5. Каталітичний генератор тепла на основі без по лу-
м’я ного спалювання метану або пропан-бутанової суміші
Таблиця 4
Основні фізико-хімічні властивості горючих газів
Параметри властивостей Метан
Пропан-бутанова
суміш
Нижча теплота згоряння,
МДж/м3 37,26 100,65
Теоретична кількість повітря
для згоряння V°, м3/м3 9 27
Щільність при температурі
20 °С і тиску 0,101 МПа, кг/м3 0,68—0,9 2,21
Займання при нормальному
тиску в суміші з повітрям, % 5,0—15,0 1,5—9,5
Таблиця 5
Результати лабораторних досліджень
Параметри властивостей Метан
Пропан-бутанова
суміш
Витрата горючого газу, л/хв 1,5 1,5
Відношення газ / повітря 1 / 10 1 / 30
Температура каталітичного
блоку, °С 480 520
Час виходу на каталітичний
режим, хв 1 1
Час повної витрати газового
палива у балоні (5 л), год 8 15
Теплова потужність гене ра-
то ра тепла, кВт 0,9 2,5
42 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
П.Є. Стрижак, С.О. Соловйов, А.І. Трипольський, П.І. Кирієнко, І.Л. Столярчук
Аналіз газу проводили на хроматографі
Крис таллюкс 4000М (Хроматек, РФ). Аналіз
на СО, СО2, NOx і О2 проводили з використан-
ням ДТП на колонках, заповнених молекуляр-
ними ситами NaX та Полісорб-1. Для розді-
лення вуглеводнів використовували капілярну
колонку HP-FFAP, 0,32мм х 50м з використан-
ням ПІД. Аналіз для кожного зразка про во ди-
ли 5 разів по кожному параметру (похибка ви-
мірювань не перевищувала 5 %).
Результати аналізу горючих газів на виході
з генератора тепла наведені в табл. 3.
Із табл. 3 видно, що завдяки розробленій
технології при експлуатації генератора тепла
шкідливі продукти згоряння СО та NOx прак-
тично відсутні. Основні фізико-хімічні влас-
тивості горючих газів наведені в табл. 4.
Результати лабораторних досліджень ката-
літичного генератора тепла на основі без по лу-
м’яного спалювання метану та пропан-бу та но-
вої суміші наведені в табл. 5
ВИПРОБУВАННЯ ГЕНЕРАТОРА ТЕПЛА
НА ОСНОВІ БЕЗПОЛУМ’ЯНОГО СПАЛЮВАННЯ
МЕТАНУ АБО ПРОПАН-БУТАНОВОЇ СУМІШІ
НА ПАТ «ЧеЗаРа»
Експериментальні дослідження режимів ро бо-
ти генератора були виконані на ПАТ «ЧеЗаРа»
з використанням генератора тепла на основі
безполум’яного спалювання метану потужніс-
тю 0,9 кВт та пропан-бутанової суміші потуж-
ністю 2,5 кВт (рис. 6).
Таблиця 6
Результати випробувань каталітичного
безполум’яного теплогенератора
Горючий газ Метан Пропан-бутан
Номінальна теплова
потужність, кВт
0,9 2,5
Час повної витрати газового
палива у балоні (40 л), год.
67 120
Маса генератора тепла, кг 0,5 0,5
Температура відхідних газів
на відстані 50 мм, °C
140 150
Витрата палива, л/хв 1,5 1,5
Полум’я Відсутнє Відсутнє
Примітка. Витрата газу при температурі навколишнього
середовища 0 °С та атмосферному тиску 101,3 кПа.
Рис. 6. Камера автономного безполум’яного генератора
тепла: 1 — корпус, 2 — каталізатор, 3 — форсунка для по-
дачі паливної суміші
Рис. 8. Ресурсні випробування протягом часу
Рис. 7. Зміна вмісту СО і NOx у відхідному газі з часом
3 2
1
43ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші
Генератор тепла на зрідженому газі підклю-
чали до балона за допомогою гнучкого шланга
та регулятора тиску для пропан-бутанової су-
міші — РДСГ 2-1,2 ДСТУ 21805-94 та для ме-
тану — РДСГ 1-1,2 ДСТУ 20448-90. Як нагрі-
вальний елемент застосовували каталітичну
панель — керамічний блок стільникової струк-
тури з нанесеним шаром гетерогенного каталі-
затора, який закріпили у металеву рамку. Умо-
ви випробувань були максимально наближені
до експлуатаційних.
У дослідженнях вимірювалися такі пара-
мет ри:
температура зовнішньої поверхні каталітич-
ного шару: для метану — 480 °С, для пропан-
бутанової суміші — 520 °С;
концентрація оксидів азоту та вуглецю;
зміст залишку метану, який не прореагував
в продуктах окиснення;
гідравлічний опір нагрівального елемента.
Проводилися також контрольні вимірюван-
ня тиску, витрат природного газу, повітря. При
спалюванні природного газу (об’ємні частки, %:
метан — 97,46; етан — 1,11; пропан — 0,37; ізо-
бутан — 0,06; бутан — 0,06; пентан — 0,02) еко-
логічні показники для генераторів тепла 0,9 кВт
у номінальному режимі за об’ємною часткою
відхідних газів були такі: СО — 2—3 ppm, NO
x
сліди, СН4 — 10—20 ppm, СО2 — 10 %, решта —
гази 89,5 %. Завдяки розробленій технології при
спалюванні пропан-бутанової суміші екологічні
показники для генераторів тепла 2,5 кВт в но-
мінальному режимі за об’ємною часткою від хід-
них газів були такі : СО — 1—2 ppm, СН4 10 —
15 ppm, СО2 — 5 %, решта — гази 95 %.
Проведені дослідження по спалюванню різ-
них палив показали, що використання даної
конструкції теплогенератора в сукупності із за-
пропонованим каталізатором дозволяє підви-
щити ККД процесу горіння, що наближається
до 100 %, уникнути утворення продуктів недо-
палу (сажі та вуглеводнів) і значно знизити ви-
киди CO, NO
x та токсичних кисеньвмісних ор-
ганічних сполук. Результати досліджень зі скла-
ду відхідних газів при горінні палив наведені на
рис. 7. Видно, що відхилень екологічних пара-
метрів від стартових значень не зафіксовано.
Ресурсні випробування генератора тепла по-
казали, що каталізатор зберігає свою активність
протягом 30 год (рис. 8). Результати випробу-
вань каталітичного безполум’яного теплогене-
ратора узагальнені і наведені у табл. 6.
Результати випробувань показали, що кон-
струкція пальника забезпечує автономне, стій-
ке, безшумне, безполум`яне горіння палива в
шарі каталізатора. Стабільність каталізатора
після проведених випробувань не змінювала-
ся протягом 30 год.
ВИСНОВКИ
Особливості каталітичного безполум’яного
спа лювання вуглеводневого газового палива
да ли можливість створити генератор тепла з
такими перевагами: мала вага, мобільність, уні-
версальність, висока економічність, невеликі
витрати палива, відсутність димових викидів
та випромінювання у видимому діапазоні, що
дозволяє уникнути виявлення приладу в по-
льових умовах, зокрема при використанні в зо-
ні бойових дій. Завдяки розробленій технології
при експлуатації обігрівача шкідливі продукти
згоряння СО, NO
x, дим, полум`я та запах від-
сутні. Обігрівач працює на екологічно чистому,
недорогому і досить безпечному газоподібному
паливі, яке широко застосовується в побуті та
на виробництві. Стабільність каталізатора піс-
ля проведених випробувань не змінювалась.
Розроблений в Інституті фізичної хімії
ім. Л.В. Писаржевського НАН України та ви-
готовлений на ПАТ «ЧеЗаРа» автономний без-
полум’яний генератор тепла на основі каталі-
тичного окиснення метану або пропан-бу та но-
вої суміші для опалення різних об’єктів (в то-
му числі в польових умовах) успішно пройшов
випробування на Чернігівському заводі радіо-
приладів та впроваджений у виробництво.
Прототип генератора на основі каталітично-
го безполум’яного спалювання газоподібного
палива був представлений на спеціалізованій
44 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
П.Є. Стрижак, С.О. Соловйов, А.І. Трипольський, П.І. Кирієнко, І.Л. Столярчук
виставці «Зброя та безпека» (22—25 вересня
2015 р., м. Київ). Експонат викликав зацікав-
лення як у військових фахівців, представників
Міністерства надзвичайних ситуацій України,
так і в представників цивільного населення. В
рамках виставки було проведено інформацій-
но-комунікативний захід «Перспективи нау-
ково-технологічного забезпечення оборонно-
про мис лового комплексу України», на якому
було зачитано доповідь «Каталізатори авто-
номного безполум’яного газового генератора
тепла для опалення різних об’єктів, в тому
числі в польових умовах».
ЛІТЕРАТУРА
1. Pakharukova V.P., Moroz E.M., Zyuzin D.A., Zaikovskii V.I.,
Tuzikov F.V., Kosmambetova G.R., Strizhak P.E. Struc-
ture characterization of nanocrystalline yttria-stabili-
zed zir conia powders prepared via microwave-assisted
synthesis // J. Phys. Chem. C. — 2012. — V. 116, № 17—
P. 9762—9768.
2. Pat. WO1995031675 A1 World International Proper-
ty Organization, PCT /GB1995/001054. Catalytic
combustion / Cox Julian P., Jenkins John W., declar.
10.05.1995, publ. 23.11.1995.
3. Пат. 2086298 Российская Федерация, B01J23/70,
B01J23/34, B01J23/70, B01J101/00. Катализатор для
беспламенного сжигания природного газа / Исма-
гилов З.Р., Прокудина Н.А., Сазонов В.А.; заявл.
20.02.1995; опубл. 10.08.1997.
4. Pat. CN1955150 A Сhina, 200510116710. Manganese
de oxidier and its preparation method and application /
Lv Shunfeng Qin., declar. 02.05.2005, publ. 28.10.2005.
5. Pat. WO2008145181 A1 World International Property
Organization, PCT/EP2007/055186. Activated base me-
tal catalysts / Schwarz M.; Laporte S.; Goettlinger M.;
Berweiler M., declar. 29.05.2007, publ. 04.12.2008.
6. Pat. CN101947457 A Сhina, 201010268086. Ventilation
air methane combustion catalyst and preparation me-
thod thereof / Yaozhuang C.; Jian Z.; Jiong L.; Heng Z.;
Lei M.; Jumei L., declar. 31.08.2010, publ. 19.01.2011.
7. Pat. WO2014025274 A1 World International Property
Organization, PCT/PL2013/000102, Multicomponent
oxide catalyst for low-temperature oxidation of metha-
ne and the method for preparation thereof / Sojka Z.,
Stelamchowski P., Kotarba A., Kaczmarczyk J., Adamski
A., declar. 07.08.2012, publ. 13.02.2014.
8. Gélin P, Primet M. Сomplete oxidation of methane at
low temperature over noble metal based catalysts: a re-
view // Appl. Catalysis B: Environmental. — 2002. —
V. 39. — P. 1—37.
9. Persson K., Thevenin P.O., Jansson K., Petersson L., Jaras
S., Agrell J. Preparation of alumina-supported palladium
catalysts for complete oxidation of methane. // Appl.
Catalysis A: General. — 2003. — V. 249. — P. 165—174.
10. Исмагилов З.Р., Керженцев М.А., Яшник С.А., Шики-
на Н.В. Катализаторы для эффективного сжига ния
топлива // Российские нанотехнологии. — 2009. —
Т. 4. — № 11—12. — С. 32—35.
11. Стрижак П.Е., Трипольский А.И., Космамбетова Г.Р.,
Диденко О.З., Гурник Т.Н. — Геометрический и элек-
тронный подходы к размерным эффектам в гетеро-
генном катализе // Кинетика и катализ. — 2011. —
№ 1. — C. 131—142.
12. Kosmambetova G.R., Moroz E.М., Guralsky A.V., Pa kha-
rukova V.P., Boronin A.I., Ivaschenko T.S., Gritsenko V.I.,
Strizhak P.E. Low temperature hydrogen purification from
CO for fuel cell application over copper-ceria catalysts
supported on different oxides // Intern. J. of Hydrogen
Energy. — 2011. — V. 36, № 1. — P. 1271—1275.
13. Kosmambetova G.R., Kriventsov V.V., Moroz E.M., Pakha-
rukova V.P., Strizhak P.E., Zyuzin D.A. The state of the
components in copper—cerium catalysts supported on
different oxides // Nuclear Instruments and Methods in
Physics Research Section A: Accelerators, Spectrome-
ters, Detectors and Associated Equipment. — 2009. —
V. 603. — № 1—2. — P. 191—193.
14. Стрижак П.Є., Долгіх Л.Ю., Космамбетова Г.Р. Нові
каталізатори для процесів отримання та очищен-
ня водню. — К.: КІМ, 2010. — С. 38—56.
15. Arai H., Fukuzava H. Research and development on high-
temperature catalytic combustion // Catal. Today. —
1995. — V. 26. — № 3—4. — P. 217—221.
16. Zwinkels M.F., Jaras S.J., Menon P.J., Griffin T.A. Ca ta-
lytic materials for high-temperature combustion // Catal.
Rev. Sci. Eng. — 1993. — V. 35, № 3. — P. 319—358.
17. Cybulski A. Moulijn J.A. Structure catalysts and reac-
tion. The present and the future of structured cata-
lysts: an overview // New York, Taylor & Francis Group,
LLC. — 2006. — P. 1—19.
18. Попович А.Н., Соловьев Г.И., Суворин А.В. Исследо-
вание носителей на основе минеральных волокон
для катализаторов каталитически стабилизиро-
ванного сжигания углеводородов // Межотрасле-
вой институт «Наука и образование». — 2014. —
№ 5. — C. 91—94.
19. Климаш А.А., Лавка С.В., Соловьёв Г.И. Разработка
способов приготовления, исследования активнос-
ти металлофольговых и керамических сотовых ка-
тализаторов в реакции глубокого окиснения мета-
на // Стратегия качества в промышленности и об-
разовании. — 2011. — Т. 3. — C. 114—116.
20. Yung M.M., Holmgreen E.M., Ozkan U.S. Low-tem pe-
rature Oxidation of Carbon Monoxide on Co/ZrO2 //
Catal. Let. — 2007. — V. 118, № 3—4. — P. 180—186.
45ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
Автономний безполум’яний генератор тепла на основі каталітичного окиснення метану або пропан-бутанової суміші
21. Kolli T., Huuhtanen M., Hallikainen A., Kallinen K. The
Effect of Sulphur on the Activity of Pd/Al2O3, Pd/CeO2
and Pd/ZrO2 Diesel Exhaust Gas Catalysts // Catal.
Lett. — 2009. — V. 127. — P. 49—54.
22. Matsouka V., Konsolakis M., Yentekakis I.V., Papavasi-
liou A., Tsetsekou A., Boukos N. Thermal aging behavior
of Pt-only TWC converters under simulated exhaust
conditions: effect of rare earths (CeO2, La2O3) and alkali
(Na) modifiers // Topics in Catalysis. — 2011. — V. 54,
№ 16. — P. 1124—1134.
23. Cassinelli W.H., Feio L.S.F., Araújo J.C.S., Hori C.E., No-
ronha F.B., Marques C.M.P., Bueno J.M.C. Effect of CeO2
and La2O3 on the activity of CeO2—La2O3/Al2O3-sup-
por ted Pd catalysts for steam reforming of methane //
Catalysis Letters. — 2008. — V. 120, № 1. — P. 86—94.
REFERENCES
1. Pakharukova V.P., Moroz E.M., Zyuzin D.A., Zaikovs-
kii V.I., Tuzikov F.V., Kosmambetova G.R., Strizhak P.E.
Structure characterization of nanocrystalline yttria- sta-
bilized zirconia powders prepared via microwave-assis ted
synthesis. J. Phys. Chem. C., 2012, 116(17): 9762—9768.
2. Patent WO1995031675 A1 World International Pro per ty
Organization, PCT /GB1995/001054. Catalytic com bus-
tion. Cox Julian P., Jenkins John W., declar. 10.05.1995,
publ. 23.11.1995.
3. Patent of Russian Federation 2086298, B01J23/70,
B01J23/34, B01J23/70, B01J101/00. The catalyst for
the flameless combustion of natural gas. Ismagilov Z.R.,
Prokudina N.A., Sazonov V.A., declar. 20.02.1995, publ.
10.08.1997 [Russian].
4. Patent CN1955150 A Сhina, 200510116710. Manganese
deoxidier and its preparation method and application.
Lv Shunfeng Qin., declar. 02.05.2005, publ. 28.10.2005.
5. Patent WO2008145181 A1 World International Property
Organization, PCT/EP2007/055186. Activated base
metal catalysts. Schwarz M., Laporte S., Goettlinger
M., Berweiler M., declar. 29.05.2007, publ. 04.12.2008.
6. Patent CN101947457 A Сhina, 201010268086. Ven ti la-
tion air methane combustion catalyst and preparation
method thereof. Yaozhuang C., Jian Z., Jiong L., Heng Z.,
Lei M., Jumei L., declar. 31.08.2010, publ. 19.01.2011.
7. Patent WO2014025274 A1 World International Property
Organization, PCT/PL2013/000102, Multicomponent
oxide catalyst for low-temperature oxidation of methane
and the method for preparation thereof. Sojka Z., Ste-
lam chowski P., Kotarba A., Kaczmarczyk J., Adamski A.,
declar. 07.08.2012, publ. 13.02.2014.
8. Gélin P, Primet M. Сomplete oxidation of methane at low
temperature over noble metal based catalysts: a review.
Applied Catalysis B: Environmental. 2002. Vol. 39. P. 1—37.
9. Persson K., Thevenin P.O., Jansson K., Petersson L., Ja-
ras S., Agrell J. Preparation of alumina-supported pal la-
dium catalysts for complete oxidation of methane. Ap-
plied Catalysis A: General. 2003. Vol. 249. P. 165—174.
10. Ismagilov Z.R., Kerzhentsev M.A., Yashkina S.A., Shi-
kin N.V. Catalysts for effective fuel combustion. Russian
nanotechnologies. 2009. 4(11—12): 32—35 [Russian].
11. Strizhak P.E., Trypolskyi A.I., Kosmambetova G.R.,
Di denko O.Z., Gurnyk T.N. Geometric and Electronic
Approaches to Size Effects in Heterogeneous Catalysis.
Kinetika i Kataliz. 2011. 52(1): 131—142 [Russian].
12. Kosmambetova G.R., Moroz E.М., Guralsky A.V., Pa kha-
rukova V.P., Boronin A.I., Ivaschenko T.S., Gritsenko V.I.,
Strizhak P.E. Low temperature hydrogen purification
from CO for fuel cell application over copper-ceria ca ta-
lysts supported on different oxides. International Jour-
nal of Hydrogen Energy. 2011. 36(1): 1271—1275.
13. Kosmambetova G.R., Kriventsov V.V., Moroz E.M., Pa-
kharukova V.P., Strizhak P.E., Zyuzin D.A. The state of
the components in copper—cerium catalysts supported
on different oxides. Nuclear Instruments and Methods
in Physics Research Section A: Accelerators, Spectro me-
ters, Detectors and Associated Equipment. 2009. 603(1—2):
191—193.
14. Stryzhak P.E., Dolgih L.Yu., Kosmambetova G.R. New
catalysts for hydrogen production and purification. Kyiv:
KIM, 2010. P. 38—56 [Ukrainian].
15. Arai H., Fukuzava H. Research and development on high-
temperature catalytic combustion. Catal. Today. 1995.
26(3—4): 217—221.
16. Zwinkels M.F., Jaras S.J., Menon P.J, Griffin T.A. Ca ta-
lytic materials for high-temperature combustion. Catal.
Rev. Sci. Eng. 1993. 35(3): 319—358.
17. Cybulski A. Moulijn J.A. Structure catalysts and reac-
tion. The present and the future of structured catalysts:
an overview. New York, Taylor & Francis Group, LLC,
2006. P. 1—19.
18. Popovich A.N., Soloviev G.I., Suvorin A.V. Research car-
riers on the basis of mineral fibers for catalysts catalytic-
stable combustion of hydrocarbons. Interdisciplinary In-
stitute «Science and Education» 2014. No. 5. P. 91—94
[Russian].
19. Klimash A.A. Development of preparation methods, the
research activity of metal foil and ceramic honeycomb ca-
talysts in the deep oxidation of methane. Klimash A.A.,
Lavka S.V., Soloviev G.I. Strategy of Quality In Industry
and Education. 2011. V. 3. P. 114-116 [Russian].
20. Yung M.M., Holmgreen E.M., Ozkan U.S. Low-tem-
perature Oxidation of Carbon Monoxide on Co/ZrO2.
Catal. Let. 2007. 118(3—4): 180—186.
21. Kolli T., Huuhtanen M., Hallikainen A., Kallinen K. The
Effect of Sulphur on the Activity of Pd/Al2O3, Pd/CeO2
and Pd/ZrO2 Diesel Exhaust Gas Catalysts. Catal. Let.
2009. V. 127. P. 49—54.
22. Matsouka V., Konsolakis M., Yentekakis I.V., Papa va-
siliou A., Tsetsekou A., Boukos N. Thermal aging be ha-
46 ISSN 1815-2066. Nauka innov. 2016, 12(5)
П.Є. Стрижак, С.О. Соловйов, А.І. Трипольський, П.І. Кирієнко, І.Л. Столярчук
vior of Pt-only TWC converters under simulated ex ha-
ust con ditions: effect of rare earths (CeO2, La2O3) and
alkali (Na) modifiers. Topics in Catalysis. 2011. 54(16):
1124—1134.
23. Cassinelli W.H., Feio L.S.F., Araújo J.C.S., Hori C.E.,
Noronha F.B., Marques C.M.P., Bueno J.M.C. Effect of
CeO2 and La2O3 on the activity of CeO2—La2O3/Al2O3-
supported Pd catalysts for steam reforming of methane.
Catal. Let. 2008. 120(1): 86—94.
P.E. Strizhak, S.O. Soloviev,
A.I. Trypolskyi, P.I. Kirienko, I.L. Stoliarchuk
L.V. Pisarzhevskii Institute
of the Physical Chemistry, the NAS of Ukraine,
31, Nauky Av., Kyiv, 03028, Ukraine,
tel. +38 (044) 525-76-00
SELF-SUSTAINED FLAMELESS
HEAT GENERATOR BASED
ON CATALYTIC OXIDATION OF METHANE
OR PROPANE-BUTANE MIXTURE
FOR VARIOUS OBJECT HEATING
INCLUDING FIELD HEATING
An effective catalyst based on ceramic block support with
honeycomb structure made of synthetic cordierite with low
coefficient of temperature linear expansion has been devel-
oped. Flameless heat generator based on oxidation of meth-
ane or propane-butane mixture has been designed. Labora-
tory and bench testing revealed that the effectiveness of the
generators is identical to foreign analogues. The production
of self-sustained flameless heat catalytic generators and the
catalysts have been adjusted.
Keywords: catalytic heat generator, catalyst for flame-
less methane or propane-butane mixture oxidation, honey-
comb structure cells, cordierite.
П.Е. Стрижак, С.А. Соловьев,
А.И. Трипольский, П.И. Кириенко, И.Л. Столярчук
Институт физической химии
им. Л.В. Писаржевского НАН Украины
просп. Науки, 31, Киев, 03028, Украина;
тел. +38 (044) 525-76-00
АВТОНОМНЫЙ БЕСПЛАМЕННЫЙ
ГЕНЕРАТОР ТЕПЛА НА ОСНОВЕ
КАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСНЕНИЯ МЕТАНА
ИЛИ ПРОПАН-БУТАНОВОЙ СМЕСИ
ДЛЯ ОБОГРЕВА РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТОВ,
В ТОМ ЧИСЛЕ В ПОЛЕВЫХ УСЛОВИЯХ
Создан эффективный катализатор на базе керамическо-
го блокового носителя сотовой структуры из синтетичес-
кого кордиерита с низким температурным коэффициентом
линейного расширения и разработан беспламенный гене-
ратор тепла на основе сгорания метана или пропан-бутано-
вой смеси. Результаты лабораторных и стендовых испыта-
ний показали, что предлагаемые генераторы тепла по эф-
фективности роботы не уступают зарубежным аналогам.
Налажено производство автономных беспламенных ката-
литических генераторов тепла и катализаторов для них.
Ключевые слова: каталитический генератор тепла,
катализатор беспламенного горения метана или пропан-
бутанової смеси, блоки сотовой структуры, кордиерит.
Стаття надійшла до редакції 16.05.16
|