Паливний брикет для отримання водню

Реферат: Паливний брикет для отримання водню містить вуглецевмісний матеріал, матеріал з вмістом окислів металів, вапно та зв'язуючий матеріал. Як вуглецевмісний матеріал він містить тверді органічні відходи, а саме біомасу та полімерні відходи, як матеріал з вмістом окислів металів наноструктурований залізний або нікелевий каталізатор, а саме залізо або нікель, покриті оксидною кіркою з поверхневими гідроксильними групами. При цьому складові брикету взяті у такому співвідношенні, мас. %: біомаса 10-30 полімерні відходи 10-20 наноструктурований залізний 2-3 або нікелевий каталізатор вапно 50-60 супутні домішки та зв'язуючі решта. матеріали UA 106501 U (12) UA 106501 U UA 106501 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Корисна модель належить до технології отримання водню, точніше до паливних брикетів, які використовують при отриманні водню методом термохімічної конверсії, а саме шляхом каталітичного піролізу. Водень можна розглядати як відновлюване, універсальне і стійке джерело енергії. Він є не тільки новим чистим енергоносієм, але й важливою хімічною сировиною для нафтопереробних заводів, виробництва аміаку, синтезу метанолу, водень також широко застосовується в електроніці, харчовій промисловості та металургії. В даний час водень в основному отримують шляхом парової конверсії викопних видів палива (48 % з природного газу, 30 % з нафти і 18 % з вугілля), що призводить до суттєвої емісії СО 2 в процесі виробництва. Зважаючи на обмеженість природних ресурсів і необхідність зменшення емісії СO 2, для розвитку майбутнього ринку водню як палива і енергоносія є актуальним отримання водню з поновлюваного сировинного і енергетичного джерела - біомаси. Як біологічна сировина можуть бути використані відходи деревообробної промисловості (стружка, тирса, тріска, кора та т. і.) або відходи сільського господарства (солома, шрот, лушпиння). Найбільш ефективними методами перетворення для отримання водню з біомаси є газифікація та піроліз. Відомий паливний брикет з деревини, якій містить сполучні речовини на основі суберину природного поліефіру, що міститься в корі берези (Судакова И.Г., Иванченко Η.Μ., Кузнецов Б.И. Получение древесных топливных брикетов с использованием связующих из суберина березовой коры // Химия растительного сырья выпуск. - 2008. - № 2. - С. 31-34). Цей брикет може використовуватись для одержання водню, але таке використання є недоцільнім, оскільки вихід водню, який може бути отриманий з біомаси за температури до 700 °C під час нагрівання, є відносно низьким, приблизно 5-12 мас. % у перерахунку на суху біомасу. Найбільш близьким за хімічним складом аналогом є брикет для отримання синтез-газу, який містить вуглецевмісний матеріал, матеріал з вмістом окислів металів, вапно та зв'язуючий матеріал, який характеризується тим, що як матеріал з вмістом окислів металів він містить хромітову руду, причому складові брикету взяті у такому співвідношенні, мас. %: вуглецевмісний матеріал - 50-88, принаймні один з окислів металів - FeO, Fe2O3, SiO2, Сr2О3, Аl2О3, MgO-8-28, вапно - 3-10, супутні домішки та зв'язуючі матеріали - решта. Як вуглецевмісний матеріал брикет може містити буре вугілля, торф або інші види подрібненого палива (Патент на корисну модель UA52448, C10L5/00, C10F7/00, 2010). Цей брикет також може бути використаний для отримання водню шляхом піролізу, однак недоліками такого використання є низький вихід водню та велика концентрація шкідливого монооксиду вуглецю, викиди інших шкідливих речовин та парникових газів у навколишнє середовище. В основу корисної моделі поставлена задача підвищити вихід водню при відносно низьких температурах під час нагрівання та зменшити викиди шкідливих речовин. Поставлена задача вирішується завдяки використанню паливного брикета для отримання водню, який містить вуглецевмісний матеріал, матеріал з вмістом окислів металів, вапно та зв'язуючий матеріал, який як вуглецевмісний матеріал містить тверді органічні відходи, а саме біомасу та полімерні відходи, як матеріал з вмістом окислів металів він містить наноструктурований залізний або нікелевий каталізатор, а саме залізо або нікель, покриті оксидною кіркою з поверхневими гідроксильними групами, причому складові брикету взяті у такому співвідношенні, мас. %: біомаса 10-30 полімерні відходи 10-20 наноструктурований залізний 2-3 або нікелевий каталізатор вапно 50-60 супутні домішки та зв'язуючі решта. матеріали Брикет може містити будь-який відомий матеріал, який використовують як зв'язуючий при виготовленні брикетів. Розмір частинок наноструктурованого залізного каталізатора може становити 30-50 нм, товщина оксидного шару - 20,0-26,0 нм. Розмір частинок наноструктурованого нікелевого каталізатора може становити 30-50 нм, товщина оксидного шару - 9,0-16,0 нм. Наноструктурований залізний або нікелевий каталізатор синтезують шляхом розкладання олеату заліза (II) та олеату нікелю (II) відповідно в органічних розчинниках в інертній атмосфері, наприклад в дифеніловому етері. У процесі синтезу утворюються наночастинки заліза або нікеля, стабілізовані залишками олеїнової кислоти. Внаслідок контакту з киснем та вологою повітря наночастинки металів частково окислюються з утворенням структури типу ядрооболонка, де ядро - метал, оболонка - оксиди метала. Подальший контакт з повітрям 1 UA 106501 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 призводить до повного окислення наночастинок з утворенням поверхневих гідроксильних груп. Наноструктурований каталізатор отримують у вигляді стійкого колоїдного розчину. Для виготовлення брикетів біомасу попередньо висушують за температури 100 °C, щоб видалити фізично адсорбовану воду, та подрібнюють до фракцій приблизно 1-3 мм. Підготовлену біомасу просочують колоїдним розчином наночастинок заліза або нікелю, підсушують. Полімерні відході подрібнюють до фракцій 1-3 мм. Підготовлену біомасу, просочену колоїдним розчином каталізатора, подрібнені полімерні відході, вапно та зв'язуючі матеріали пресують у паливні брикети. Можливо попередньо сплавляти за температури приблизно 125 °C підготовлені біомасу та полімерні відходи. З метою отримання водню паливні брикети піддають термохімічній конверсії методом піролізу. Важливою перевагою процесу піролізу є його самозабезпеченість, оскільки використання газоподібних і твердих продуктів дає тепло, необхідне для самого процесу і для сушіння біомаси. Процес отримання водню включає карбонізацію твердих органічних відходів та вапна, конверсію отриманих летучих сполук з одержанням технологічного газу, очищення технологічного газу від шкідливих сполук сірки та азоту, конверсію CO водяної парою та абсорбцію СO2. Тверді продукти карбонізації паливних брикетів - висококалорійне вугілля та продукти реагування вапна - розділяють і використовують в енергетиці, металургії, хімічній та будівельній промисловості. Газ з підвищеним вмістом водню одержується як результат каталітичної конверсії летучих компонент органічних відходів, а саме біомаси та полімерних відходів, безпосередньо під час карбонізації та каталітичної парової газифікації вугілля, одержаного після карбонізації. Тверді органічні відходи - сировина, при утилізації якої можливо отримувати корисні вихідні продукти, придатні для подальшого використання, в тому числі й водень. Така їх складова як біомаса є одним з найбільших за величиною відновлюваних джерел енергії в світі, тому її можна розглядати як можливе основне джерело для виробництва водню. Однак вихід водню, який можна отримати з біомаси, відносно невеликий. Іншу складову твердих органічних відходів полімерні відходи - додають до біомаси з метою збільшення виходу водню. Між проміжними продуктами, отриманими з полімерних відходів і біомаси під час спільної конверсії, існує синергетична взаємодія, яка покращує властивості та якість кінцевої продукції. Механізм синергетичної дії можна пояснити нижчою стабільністю біомаси в порівнянні з полімерними відходами, що виливає на механізм радикальної деструкції внаслідок спричинення деструкції полімерів. Іншими словами, температури розкладання полімерних відходів нижчі через взаємодію між леткими речовинами та напівкоксом, що утворюються з біомаси. Поліпропілен, полістирол та поліетилен є трьома основними полімерними відходами, які містяться в твердих побутових відходах. Додавання цих відходів до біомаси призводить до збільшення виходу газу й водню, оскільки додатковим джерелом водню є поліолефінові пластмаси. Такий комплексний підхід дозволяє задіяти в процесі виробництва різні види відходів, причому конкурентоздатність новітніх технологій конверсії твердих органічних відходів з метою отримання водню забезпечується завдяки низькій вартості відходів, які містить запропонований паливний брикет. Використання наноструктурованого залізного або нікелевого каталізатора є ключовим фактором, що допомагає максимізувати вихід водню. Введені оксидні та металеві компоненти слугують каталізаторами складних хімічних процесів, що відбуваються під час подальшого піролізу, причому використання саме наночастинок заліза або нікелю обумовлює підвищену реакційну здатність каталізаторів та їхній вплив на швидкість хімічних реакцій. Наноструктурований каталізатор в процесі каталітичного піролізу прискорює процеси, що відбуваються під час отримання водню в процесі піролізу, а саме, розклад високореакційних речовин та радикалів, які за рахунок подальшої швидкої олігомеризаціїї утворюють піролізні смоли. Зокрема, метал, який присутній в каталізаторі, каталізує процеси гідруваннядегідрування та процеси крекінгу. Присутність оксидів металів, зокрема нікелю або заліза, зменшує кількість отруйного чадного газу СО та збільшують вихід водню, оскільки оксиди металів прискорюють реакцію водяного зсуву, причому каталітичне прискорення реакції водяного зсуву - Н2О + СО = СО2 + Н2 - відбувається в сторону додаткового утворення водню. За допомогою вапна, яке міститься в складі запропонованого паливного брикету, відбувається зв'язування вуглекислого газу, що сприяє суттєвому збільшенню концентрації водню в вихідній газовій суміші. При конверсії запропонованого паливного брикету шляхом каталітичного піролізу забезпечується вихід водню як основного газу. В результаті експериментальних досліджень на установці карбонізації твердих органічних відходів в результаті конверсії наливного брикету, який містив деревину, поліпропілен, наноструктурований залізний каталізатор та вапно, причому складові брикету були взяті у 2 UA 106501 U 5 10 такому співвідношенні, мас. %: деревина - 10-30, поліпропілен - 10-20, наноструктурований залізний каталізатор - 2-3, вапно - 50-60, отримано газ з вмістом водню 72 об. %. В результаті експериментальних досліджень на установці карбонізації твердих органічних відходів в результаті конверсії паливного брикету, який містив деревину, поліпропілен, наноструктурований нікелевий каталізатор та вапно, причому складові брикету були взяті у такому співвідношенні, мас. %: деревина - 10-30, поліпропілен - 10-20, наноструктурований нікелевий каталізатор - 2-3, вапно - 50-60, отримано технічний водень - газ з вмістом водню більше 82 об. %. Таким чином, запропонований паливний брикет для отримання водню шляхом каталітичного піролізу органічних відходів забезпечив високий вихід цільового продукту. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 1. Паливний брикет для отримання водню, який містить вуглецевмісний матеріал, матеріал з вмістом окислів металів, вапно та зв'язуючий матеріал, який відрізняється тим, що як вуглецевмісний матеріал він містить тверді органічні відходи, а саме біомасу та полімерні відходи, як матеріал з вмістом окислів металів - наноструктурований залізний або нікелевий каталізатор, а саме залізо або нікель, покриті оксидною кіркою з поверхневими гідроксильними групами, причому складові брикету взяті у такому співвідношенні, мас. %: біомаса 10-30 полімерні відходи 10-20 наноструктурований залізний 2-3 або нікелевий каталізатор вапно 50-60 супутні домішки та зв'язуючі решта. матеріали 2. Паливний брикет для отримання водню за п. 1, який відрізняється тим, що розмір частинок наноструктурованого залізного каталізатора становить 30-50 нм, товщина оксидного шару 20,0-26,0 нм. 3. Паливний брикет для отримання водню за п. 1, який відрізняється тим, що розмір частинок наноструктурованого нікелевого каталізатора становить 30-50 нм, товщина оксидною шару 9,0-16,0 нм. Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3