Ученые из Университета Оттавы разработали компактный интегрированный реактор-теплообменник, предназначенный для очистки дымовых газов, получаемых при работе установок с химической петлей под давлением. Такая система не только эффективно удаляет остаточные примеси перед тем, как CO2 направят на захоронение, но и превращает тепло реакции в полезный пар, повышая общую энергетическую эффективность процесса.
Дымовые газы из установок с химической петлей под давлением содержат много CO2, однако в них всегда остаются следы метана и угарного газа. Трубопроводные стандарты требуют почти полного их удаления, и именно эту задачу ученые решили необычным способом. Они объединили несколько ступеней каталитического дожигания с промежуточным охлаждением в едином компактном устройстве. Внутри реактора, где происходит сжигание примесей, каталитические пластины чередуются с компактными печатными теплообменниками, которые мгновенно отводят выделяющееся тепло и преобразуют его в пар.
Чтобы определить оптимальную структуру реактора, был проведен подробный цикл компьютерных расчетов. Сначала ученые исследовали термодинамику процесса, как сильно будет разогреваться газ, сколько ступеней реакции требуется, чтобы стабильно достигать требуемой чистоты потока. Выяснилось, что оптимальны шесть коротких каталитических секций. Затем ученые рассчитали длину каждой из них, получив результат всего около 6 см. Параллельно уточнялась конструкция теплообменных вставок. Их параметры подбирали так, чтобы они эффективно снижали температуру газа между реакционными зонами и производили пар нужных характеристик.
Итоговый проект представляет собой компактное устройство длиной менее 1,7 метра, способное обслуживать поток от крупной установки. Реактор не только доводит состав газа до трубопроводных требований, но и вырабатывает около 1,6 МВт тепла в виде насыщенного пара при 180 oC, превращая неизбежный этап очистки из расходного в энергетически выгодный. Плотность тепловыделения достигает 2,3 МВт на кубический метр, что является очень высоким показателем для подобных систем.
Предложенный учеными подход является важным шагом в сторону интеграции химических и тепловых процессов. Методика проектирования реакторов может применяться в других отраслях промышленности, где требуется одновременно очищать газ и утилизировать тепло. Основным ограничением текущей работы остается необходимость адаптировать каталитические материалы под специфические условия газов установок с химической петлей под давлением.
Следующим этапом станет разработка специализированных катализаторов, после чего технология сможет перейти от инженерной концепции к практическому внедрению.
