КАТАЛИТИЧЕСКОЕ СЖИГАНИЕ —
В МАЛУЮ ЭНЕРГЕТИКУ
В начале октября в Цюрихе состоялась седьмая конференция по каталитическому сжиганию топлив IWCC-7. Предыдущие конференции проходили в Италии (2005), Южной Корее (2002), США (1992,1999), Голландии(1996) и Японии (1994).
Каталитическое сжигание принципиально отличается от горения в традиционном понимании, так как топливо окисляется на поверхности твердых катализаторов вообще без образования пламени. Действие катализаторов в процессе полного окисления (или гетерогенного «горения») топливно-воздушных смесей схематически можно представить как химическое взаимодействие компонентов топлива с поверхностным кислородом катализатора с последующей регенерацией восстановленной поверхности катализатора кислородом газовой фазы. В зависимости от активности катализатора, которая определяется энергией связи поверхностного кислорода с активным компонентом катализатора, процесс полного окисления многих веществ может протекать при температурах 300-700° С. Таким образом, присутствие в реакционной системе катализатора снижает температуру сжигания органического топлива с 1000-1200° С до 300-700° С, сохраняя при этом высокие скорости горения и обеспечивая полное сгорание как бедных, так и стехиометрических топливно-воздушных смесей. Важно отметить, что катализатор обеспечивает полную конверсию топлива в продукты глубокого окисления и предотвращает образование оксидов азота и оксида углерода — угарного газа. Фундаментальные исследования в основном направлены на последующую разработку и создание различных промышленных технологий и бытовых изделий на основе каталитического сжигания: каталитические камеры сгорания для газотурбинных установок, каталитические генераторы тепла, газовые каталитические теплогенераторы с двухстадийным сжиганием и бытовые каталитические камины.
В этом году тематика конференции была расширена, и к традиционному каталитическому сжиганию добавился раздел «Будущие концепции катализа для энергетики», включающий подготовку топлив для топливных элементов, сжигание в каталитических микрореакторах и дожигание выбросов стационарных энергетических установок.
В конференции приняли участие около 100 ученых и инженеров из 17 стран (Европы, США, Австралии, Японии и Кореи). Ограниченное количество участников и целенаправленность тематики докладов располагали к продуктивному диалогу и расширению научных контактов.
Конференция была организована Институтом Поля Шерера (PSI), являющимся автономной организацией в составе Швейцарского технологического института в Цюрихе (ETH Zurich). Институт PSI имеет 1200 сотрудников и проводит исследования в следующих областях: физика твердого тела и материаловедение, физика элементарных частиц, энергетика и экология, биология и медицина.
Спонсорами конференции выступили «ALSTOM» (Швейцария) и Швейцарское федеральное энергетическое объединение.
Достижения в области каталитического сжигания для энергетических установок были представлены в лекции проф. Т. Гриффина (Timothy Griffin, Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW), Switzerland) и д-ра Р. Карони (Dr. Richard Carroni, ALSTOM Power Technology Center, Switzerland). Он отметил, что в рамках развития малой энергетики и создания автономных систем энергоснабжения особое внимание уделяется развитию газотурбинных установок (ГТУ) малой мощности, оснащенных каталитическими камерами сгорания.
Участниками консорциума из 10 организаций в рамках программы Европейского Союза разработана гибридная камера сжигания, включающая каталитический отсек, изготовленный в виде металлического сотового блока с тремя зонами активного компонента. Эксперименты по сжиганию бедных смесей на пилотной установке показали приемлемый температурный профиль и требуемый низкий уровень эмиссий оксидов азота.
Профессор О. Дойчман (Prof. Olaf Deutschmann, University of Karlsruhe, Germany) осветил несколько уровней исследований по каталитическому сжиганию в сотовых блоках, начиная с элементарных реакций на поверхности и генезиса наноструктур активного компонента до кинетических расчетов и моделирования процесса в реакторе. Представитель известной фирмы «Хальдор Топсе» д-р Дж. Хансен (John Bоgild Hansen, Haldor Topsоe A/S, Denmark) рассказал о новых катализаторах и устройствах риформинга топлив для топливных элементов. Новому активно развивающемуся направлению сжигания топлив в каталитических микроканальных реакторах посвятил свой доклад профессор Д. Трим (Prof. David Trimm, University of New South Wales, Australia). Прикладным аспектам моделирования и конструкции таких микрореакторов уделил основное внимание профессор Дж. Влакос (Prof. Dion G. Vlachos, University of Delaware, USA). Об особенностях и проблемах сжигания бедных смесей в избытке кислорода на платиновых катализаторах рассказал профессор М. Скоглунд (Prof. Magnus Skoglundh, Chalmers University of Technology, Sweden). Он еще раз продемонстрировал эффективность нестационарных технологий. Серию пленарных лекций завершил профессор Р. Форзати (Prof. Pio Forzatti, Politecnico di Milano, Italy) с обзором работ по подавлению и удалению оксидов азота при сжигании бедных смесей.
От России был представлен единственный, но очень важный доклад д.х.н. З. Р. Исмагилова по результатам совместных исследований Института катализа СО РАН и Центрального института авиационного моторостроения (ЦИАМ, Москва).
В докладе приводятся данные о разработанных в ИК СО РАН двух типах новых гранулированных катализаторов, обеспечивающих эффективное сжигание метана в камере сгорания ГТУ. Первый — на основе благородных металлов с низким содержанием
Pd (1-2 мас. %), характеризующихся низкой температурой зажигания метана, и второй — на основе оксидов марганца и гексаалюминатов с повышенной термостабильностью. Учеными Института катализа исследована кинетика окисления метана на лабораторной установке и проведено математическое моделирование процесса сжигания в каталитической камере сгорания ГТУ. Предложен дизайн одно-, двух- и трехступенчатых каталитических пакетов, различающихся химическим составом, формой и размером гранул. Исследованы и определены оптимальные условия их эксплуатации, обеспечивающие требуемую полноту сжигания и экологические характеристики на выходе из камеры сгорания. Выполнены длительные испытания на пилотном стенде в ИК СО РАН и нескольких вариантов компоновки каталитического пакета на опытном стенде ЦИАМ. Впервые предложен дизайн трехступенчатого каталитического пакета, включающего слой высокоактивного
Pd-Ce-Al2O3-катализатора на входе, основного термостабильного катализатора на основе
гексаалюмината Mn и тонкий слой Pd-Mn-La-Al2O3-катализатора на выходе из камеры сгорания. Выполнены испытания на натурном стенде в ЦИАМ с загрузкой 70 кг катализатора в камеру сгорания для ГТУ мощностью 300 кВт, показана высокая полнота сжигания метана > 99,97 % и низкая эмиссия токсичных соединений:
NOx < 1 ppm, CO < 10 ppm, HC < 10 ppm.
Участники конференции отметили, что каталитическая камера, разработанная совместно ИК СО РАН и ЦИАМ, является самой большой в Европе. Она отвечает самым строгим экологическим требованиям и готова для промышленного освоения.
Наш корр.
стр. 7
|
