КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Заявляемая полезная модель относится к устройствам для каталитической очистки отходящих газов, характеризующихся высокой степенью запыленности, образующихся в результате функционирования мусороперерабатывающих комплексов.
Условия функционирования катализаторов в мусороперерабатывающих комплексах (МПК) отличаются от условий в других производственных и технологических процессах, таких, как например работа двигателя внутреннего сгорания, значительными перепадами температуры в блоке каталитической очистки, значительной запыленностью и относительно низкой скоростью газового потока, а также нестабильным качественным и количественным составом отходящих газов (ОГ). Таким образом, носитель катализатора и катализатор подвергаются воздействию агрессивных сред, абразивному износу поверхности, воздействию высоких температур и значительному количеству циклов «нагрев-охлаждение», а также, вследствие этого, интенсивным термомеханическим нагрузкам.
nd
В соответствии с известными методами (Structured catalyst and reactors / [edited by] Andrzej Cybulski and Jacob A. Moulijn. 2 ed.p.cm - (Chemical industries; v. 110) 2006) изготовление каталитических преобразователей на керамическом носителе заданной геометрии (трубки, пластины, соты) производится путем напыления, окунания или пропитывания керамического носителя предшественником катализатора с последующими стадиями сушки и обжига. Модификацией такого метода является формирование на носителе промежуточного керамического покрытия, выполняющего функции увеличения удельной поверхности нанесеного на него слоя катализатора.
Известным технологическим приемом формирования керамического носителя сотовой структуры является экструзия материалов с высокой удельной поверхностью совместно с неорганическими волокнами, выполняющими роль армирования, и неорганическими связующими (Заявка JP Н05213681, кл. С04В 38/06, опубл. 24.08.1993). Недостатком указанного способа является использование дорогостоящего оборудования и в целом сложного технологического процесса.
Также активно используется метод связывания трубчатых керамических элементов в единую сотовую структуру (патент DE 4341159 В4, кл. B01J 23/38, опубл. 05.02.2009).
Использование метода компоновки трубчатых элементов в сотовую структуру посредством использования связующего осложнено низкой механической прочностью исходных трубчатых элементов, а также сложностью формирования регулярной сотовой структуры.
В условиях функционирования катализаторов (высокая запыленность, относительно низкая скорость газового потоку) использование в качестве носителя катализатора трубок, пластин или конструкций сотовой структуры с малым проходным сечением канала приводит к отложению пыли и, как следствие, к снижению эффективности каталитической очистки отходящих газов. Таким образом, в вышеуказанных условиях наиболее эффективным подходом является использование перфорированных плит, установленных перпендикулярно направлению движения газового потока. Диаметр и взаимное расположение отверстий в плитах, а также толщина плит определяются исходя из скорости и запыленности газового потока.
nd
Известно также (Structured catalyst and reactors / [edited by] Andrzej Cybulski and Jacob A. Moulijn. 2 ed.p.cm - (Chemical industries; v. 110) 2006) об ингибирующем воздействии некоторых компонентов материала носителя катализатора на каталитическую активность последнего в условиях длительного воздействия высоких температур, что обусловлено диффузионной миграцией компонентов материала носителя к поверхности катализатора и химическим взаимодействием с ним.
Известны катализатор и способ его изготовления (патент US 7851405 В2, кл. B01J 23/56, опубл. 14.12. 2010), согласно которому первичный компонент контактирует и химически связывается с частицей благородного металла для подавления его смещения, а вторичный компонент инкапсулирует первичный и частицу благородного металла. Получаемый по указанному способу катализатор имеет низкие механическую и термическую прочность, а также высокоразвитую поверхность на микроуровне, что препятствует его использованию в условиях функционирования блоков каталитической очистки МПК.
Известна сотовая структура (патент US 7871688 В2, кл. В32 В 3/12, опубл. 18.01.2011). Она включает в себя керамический блок, образованный путем склеивания множества сотообразных тел посредством размещения между ними клеевого слоя и слоя уплотнительного материала, расположенного на периферии керамического блока. Каждое из сотообразных тел имеет большое количество ячеек, расположенных параллельно друг другу в продольном направлении с перегородками между ними. Клеевой слой и слой уплотнительного материала выполнены как одно целое практически без зазора для разделения двух слоев. Использование высокопористой обжиговой керамики в качестве материала сотовой структуры позволяет значительно повысить удельную поверхность последней. Это обстоятельно позволяет эффективно использовать ее в качестве носителя катализатора для очистки газовых сред в случае, если газовый поток является «чистым», то есть не запылен, а также в случае очень низких, ламинарных значений числа Рейнольдса. То есть в условиях функционирования блока каталитической нейтрализации МПК известный носитель катализатора является неэффективным вследствие быстрого зарастания пор сот пылью.
Наиболее близким к заявлемой полезной модели техническим решением является сотовый носитель катализатора, включающий сотовидную структуру, имеющую множество ячеек и нанесенные на нее частицы катализатора (пат. US 8038955 В2, кл. B01D 50/00, опубл. 18.10.2011).
Сотовый носитель катализатора представляет собой трубчатую структуру, имеющую множество ячеек, сформированных параллельно друг другу в продольном направлении с расположенной между ними продольной стенкой. Средний диаметр частиц катализатора, нанесенных на сотовую структуру, составляет 0,05-1,00 мкм. Стенки ячеек снабжены неорганическими волокнами. В качестве катализатора используются оксиды церия, циркония, железа, меди, марганца, калия, элементы La, Nd, Sm, Eu, Gd или Y, щелочной или щелочноземельный металл, а также Mn, Со, Fe или Ni. Формирование слоя катализатора производится непосредственно на поверхности сотового носителя.
Существенным недостатком описанного известного технического решения является непосредственное нанесенное частиц катализатора на керамический носитель, что приводит к снижению каталитической активности вследствие миграции компонентов носителя к слою катализатора и, как следствие, его инактивации. Другим недостатком является наличие на стенках керамического носителя неорганических волокон, которые имеют своей функцией повышение удельной поверхности контакта фаз, что, в условиях функционирования блока каталитической нейтрализации МПК, будет приводить к запылению поверхности и, как следствие, к снижению эффективности очистки отходящих газов.
В основу заявляемой полезной модели поставлена задача создания такого каталитического преобразователя для обработки отходящих газов мусороперерабатывающих комплексов, который был бы лишен вышеуказанных недостатков, имел малую запыляемость поверхности каталитического преобразователя, повышенные термомеханические эксплуатационные характеристики катализатора и его носителя в условиях динамических термических нагрузок, возникающих в процессе работы МПК.
Поставленная задача решается тем, что в каталитическом преобразователе, включающем сотовидную структуру, имеющую множество ячеек и нанесенные на ее поверхность частицы катализатора, согласно заявляемой полезной модели, сотовая структура выполнена из муллитокремнеземистой плиты путем создания в ней сквозных отверстий заданного размера и с заданным взаимным расположением, поверхность сотовой структуры армирована суспензией вибромолотого корунда, после чего на нее нанесен вторичный носитель катализатора из раствора компонентов-предшественников, а на поверхности вторичного носителя катализатора путем распыления раствора его предшественника с включением в него по меньшей мере одного вещества из ряда СоО, РtO, РdO сформированы каталитически активные соединения с созданием целостного каталитически активного слоя, при этом после нанесения каждого из покрытий поверхность каталитического преобразователя подвергнута просушиванию и обжигу.
2
Поставленная задача решается также тем, что суспензия вибромолотого корунда содержит: корунда - 75-95% по массе, жидкого стекла - 5-25% по массе в пересчете на SiO, а также, сверх того, 45-55% избытка 7-15%-ного раствора фосфатов, а также, сверх того, 5-35% избытка распушенных волокон муллита с соотношением длины к диаметру 10 и более.
2
2
3
2
3
3
4
2
3
2
2
Поставленная задача решается также тем, что раствор предшественника вторичного носителя катализатора включает, по меньшей мере, SiO, а также один или несколько предшественников соединений из ряда АlО, ВО, МnO, СоО, FeO, МО, KO, NaO, CuO, CeO, MgO, CaO, BaO.
Конкретный пример выполнения заявляемой полезной модели поясняется Фиг. 1 и Фиг. 2 фигурами чертежа.
2
Муллитокремнеземистая плита 1 размерами 500×500×15 мм перфорирована цилиндрическим отверстиями 2 диаметром 50 мм в шахматном порядке с шагом 70 мм. На поверхность муллитокремнеземистой плиты 1 и внутренние поверхности отверстий 2 нанесена суспензия из вибромолотого корунда (75% по массе), жидкого стекла (25% по массе в пересчете на SiO), а также, сверх того, 45% избытка 7%-ного раствора гидрофосфата натрия, а также, сверх того, 10% избытка распушенных волокон муллита с соотношением длины к диаметру 10 и более. После нанесения указанной суспензии плита 1 высушена до полного высыхания при температуре 105-110°С и обожжена при температуре 1200°С в течение 10 часов.
2
2
3
2
3
2
2
Поверх описанного покрытия на поверхность муллитокремнеземистой плиты 1 и внутренние поверхности отверстий 2 нанесен, высушен при температуре 105-110°С и обожжен при температуре 450°С в течение 2 часов раствор предшественника вторичного носителя катализатора, включающий 40% SiO, 15% ВO, 5% CuO, 5% FeO, 5% NaO, 10% KO, 20% NiO.
Раствор предшественника катализатора, дополненный СоО и PdO в соотношении 95:5, распылен над поверхностью муллитокремнеземистой плиты 1 и на внутренних поверхностях отверстий 2 до формирования сплошного слоя катализатора толщиной 0,80 мкм с последующим обжигом муллитокремнеземистой плиты 1 при температуре 500°С в течение 4 часов.
Активность каталитических преобразователей была изучена для конверсии газов, подлежащих очистке, с помощью модельной установки проточного типа. Установка позволяет изучать степени конверсии различных газовых смесей. Испытания каталитических преобразователей проводились в реакциях окисления монооксида углерода и бензола. Для определения газообразных компонентов, входящих в состав отработанных газов, использовались измерительные приборы «Инфракар» и «Окси».
-1
Условия определения каталитической активности следующие: объемная часть газовой смеси - 50000 ч, размер частиц катализатора - 5×10 мм, скорость нагрева - 10°С/мин.
3
Состав модельной смеси, содержащей монооксид углерода, об. %: СО - 2, остальное воздух. Эффективность каталитического преобразователя в процессах конверсии СО оценивалась по температуре достижения полного его исчезновения на выходе модельной установки. Состав модельной смеси, содержащей бензол, г/м: бензол - 10, остальное воздух. Эффективность каталитического преобразователя в процессах окисления бензола оценивалась по степени его конверсии при температуре 550°С.
Результаты испытаний каталитических преобразователей, которые получены по примерам 1, 2, 3, сведены в таблицу 1.
Каталитический преобразователь, заявляемый в качестве полезной модели, обладает малой массой, высокой прочностью, устойчивостью к абразивному износу и отложению пыли поверхностью, более длительным сроком службы до последующей регенерации, обусловленным экранированием воздействия материала носителя на каталитически активный внешний слой. Указанные характеристики позволяют эффективно использовать заявляемый катализатор на установках с высокой запыленностью и относительно низкой скоростью газового потока, а именно в системах обезвреживания ОГ МПК.