МОБИЛЬНЫЕ КАТАЛИТИЧЕСКИЕ ТЕПЛОФИКАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

А.Д. Симонов, Н.А. Языков, П.И. Ведякин, Г.А. Лавров, В.Н. Пармон,
г. Новосибирск, Институт катализа СО РАН

На современном этапе развития энергетики главными проблемами становятся энергосбережение и экология. Традиционные энерготехнологические установки, основанные на факельном сжигании топлив, являются одним из основных источников загрязнения атмосферы теплом и вредными веществами (оксидами углерода, азота, серы, бензпиренами и др.). Стоимость оборудования для обезвреживания дымовых газов сопоставима со стоимостью основного технологического оборудования таких установок. Затраты резко возрастают с увеличением объема сжигаемого низкосортного топлива (особенно твердого) и ужесточением природоохранных требований. Положение усугубляется в связи развитием в городах локального теплоснабжения. Множество иностранных фирм распространяют отопительные котлы с хорошей автоматикой и красиво оформленные, но использующие традиционное факельное сжигание топлив, т. е. с высоким выбросом токсичных веществ с дымовыми газами. Применение топок с псевдоожиженным слоем инертных материалов позволяет повысить эффективность горения и снизить уровень загрязнения атмосферы. Однако и в этом случае количество токсичных примесей в дымовых газах превышает санитарные нормы.

Нетрадиционная технология сжигания топлив, предложенная в Институте катализа СО РАН [1], позволяет в значительной мере ликвидировать недостатки высокотемпературного сжигания топлив. Технология основана на сочетании четырех принципов: применение катализаторов полного окисления веществ; сжигание топлив в псевдоожиженном слое частиц катализатора; сжигание смесей топлива и воздуха в соотношении, близком к стехиометрическому; совмещение тепловыделения и теплоотвода в едином псевдоожиженном слое. Каталитическое сжигание принципиально отличается от горения в традиционном понимании, так как топливо окисляется на поверхности твердых катализаторов без образования пламени [2]. Действие катализаторов в процессе полного окисления топливно-воздушных смесей основано на взаимодействии компонентов топлива с поверхностным кислородом катализатора и регенерацией восстановленной поверхности катализатора кислородом газовой фазы. Присутствие катализатора позволяет снизить температуру сжигания органического топлива с 1000-1200°С до 300-700°С, при этом сохраняются высокие скорости горения и обеспечивается полное сгорание топливно-воздушных смесей без избытка воздуха. В псевдоожиженном состоянии катализатор является твердым теплоносителем и обеспечивает высокие коэффициенты тепло- и массообмена. По сравнению с известными способами сжигания катализатор дает возможность: снизить требования к термохимическим свойствам конструкционных материалов аппаратов и снизить их эрозионный износ; уменьшить потери теплоты через стенки аппаратов; облегчить запуск системы в работу и управление процессом; снизить взрывоопасность устройств; достичь высоких [до 5·108 кДж/(м3·ч)] значений теплонапряженности объема топочного пространства и, следовательно, значительно снизить габариты, вес и металлоемкость конструкций; исключить протекание вторичных эндотермических реакций с образованием токсичных продуктов. Эти особенности проведения процесса сжигания в псевдоожиженном слое катализатора позволяют также использовать нештатные топлива, доступные в месте добычи нефти и газа, различные органические жидкие и твердые отходы. На основе новой технологии сжигания создаются аппараты для нагрева и испарения жидкостей, для сушки и термообработки материалов, для обезвреживания промышленных выбросов (газовых, жидких и твердых) и ряда других процессов.

Опытные каталитические теплофикационные установки (КТУ) мощностью 170-230 кВт эксплуатируются с начала восьмидесятых годов при обогреве временных и строящихся зданий. В 1993 году фирмой "Арсенал-2", г. Новосибирск по лицензионному соглашению с Институтом катализа освоено серийное производство КТУ мощностью 230 кВт, работающих на дизельном и печном топливе (рис.1). С 1993 года на различных объектах Новосибирской области установлено более 30 КТУ. Опыт их непрерывной работы в течение пяти отопительных сезонов показал, что установки надежны в эксплуатации. Все рабочие параметры соответствуют проектным. Автоматическая обратная связь температуры оборотной воды с расходом топлива обеспечивает его минимальное потребление в зависимости от теплосъема и температуры наружного воздуха. Количество токсичных веществ в составе газовых выбросов соответствует сертификату качества, выданному областными санитарными службами, и не превышает санитарных норм. Сведений об авариях на КТУ или рекламаций от заказчиков не поступало.

Рис.1. Каталитическая теплофикационная установка мощностью до 230 кВт, серийно выпускаемая фирмой "Арсенал-2", г. Новосибирск.

Состав серийного эксплуатационно-транспортного блока КТУ и основные технические характеристики приведены на рис. 2 и табл. 1.

Принцип работы КТУ состоит в следующем (рис.2). После включения циркуляционных насосов и подачи воды в систему отопления, воздух воздуходувкой подается в пусковой электроподогреватель, где нагревается до 500-700°С и далее поступает в реактор. После нагрева слоя катализатора в реакторе до температуры 300-350°С, необходимой для начала каталитического окисления топлива, в слой насосом подается топливо. При температуре слоя 600°С электроподогреватель отключается и установка переводится в автоматический режим работы. Время выхода на рабочий режим 30 минут. В автоматическом режиме при превышении температуры в слое 600°С или воды на выходе из реактора 95°С отключается подача топлива. При повышении температуры оборотной воды выше 45°С отключается подача топлива и воздуха. Таким образом, кроме режима пуска и загрузки катализатора, установка работает полностью в автоматическом режиме и не требует постоянного контроля.

Рис.2. Эксплуатационно-транспортный блок КТУ на жидком топливе

  1. Каталитический реактор
  2. Насосы
  3. Пусковой воздухонагреватель
  4. Газодувка
  5. Система подачи топлива
  6. Теплообменник дымовые газы-воздух
  7. Циклон с бункером
  8. Шкаф управления
  9. Шкаф силовой

Таблица 1.


Технические характеристики каталитической теплофикационной установки КТУ-200.

1 Габариты реактора:
  • диаметр (без термоизоляции), м
  • высота, м
  • поверхность теплообменника, м2

    • 0,42
    1,93
    3,3
    2 Тепловая мощность, кВт 230
    3 Коэффициент полезного использования топлива, % 93-94
    4 Температура в зоне сжигания, °С 600-700
    5 Температура дымовых газов (после циклона), °С 100-120
    6 Температура воды на выходе, °С 95
    7 Расход воды при Т = 50°С, м3/ч 4
    8 Расход топлива (максимальный), кг/ч 22
    9 Расход воздуха, нм3/ч 250
    10 Мощность электронагревателя, кВт 20
    11 Мощность водяного насоса, кВт 4,0
    12 Мощность топливного насоса, кВт 0,27
    13 Мощность топливного насоса, кВт 4,0
    14 Загрузка катализатора, л 100

    В настоящее время в КТУ используется катализатор ИК-12-73, промышленное производство которого организовано в АО "Катализатор", г. Новосибирск. Катализатор представляет собой сферические гранулы оксида алюминия диаметром 1,5-2 мм, на которые нанесено до 10% весовых активного компонента в виде сложной оксидной системы меди, магния и хрома. В процессе эксплуатации в КТУ катализатор подвергается совокупному воздействию высоких температур, механических нагрузок и реакционной среды, что приводит к его истиранию и выносу в виде пыли из реактора. При содержании в активном компоненте катализатора ИК-12-73 хрома в виде CrO3 до 1% весового и ПДК для CrO3 1,5 10-3 мг/м3 степень истирания катализатора не должна превышать 0,5 % весовых в сутки. Прочность катализатора ИК-12-73 определяется носителем -Al2O3. В Институте катализа разработана технология приготовления упрочненного оксида алюминия методом жидкостного формования. Степень истирания катализаторов на его основе 0,3% весовых в сутки, т.е. срок службы при непрерывной работе около 12 месяцев. Стоимость катализатора ИК-12-73 составляет 5-10 тыс. долларов США за 1 тонну.

    Важным достоинством каталитического горения является возможность так же эффективно сжигать твердые топлива 5. По данным лабораторных и стендовых испытаний степень выгорания углерода даже для каменных углей достигает 85-90% при времени контакта 0,8 с и температуре в слое катализатора 700-750°С. Степень выгорания бурых углей выше 99% при тех же условиях. Необходимо отметить, что добавка к каменным углям низкосортных топлив типа торфа повышает степень выгорания общего углерода до 99% и выше. Сравнительные характеристики водогрейного котла на твердом топливе со слоевой топкой производства Черепановского котельного завода (Новосибирская область) с КТУ приведены в табл. 2.

    Таблица 2.


    Характеристики водогрейного котла КВ-50 и КТУ.

        КВ-50 Новая
    1 Теплопроизводительность, кВт 50 50
    2 Температура воды на выходе, °С 95 95
    3 Расход топлива (Q = 5000 ккал/кг), кг/час 11,9 9,9
    4 КПД 72-78 87-93
    5 Объем котла, м3 2,85 0,09
    6 Расход электроэнергии, кВт 0,3 0,65
    7 Количество катализатора, кг   10
    8 Содержание токсичных веществ в дымовых газах, мг/м3:
  • NOx
  • СО
  • SOx

    • до 2000*
    до 1000*
    до 500*
    50-150
    50-100
    1-50
    * - данные по выбросам для сжигания малосернистых углей в слоевых топках.

    Таким образом, при сжигании твердых топлив и отходов в псевдоожиженном слое катализатора достигаются еще большие преимущества новой технологии сжигания по сравнению с традиционными.

    Имеющийся опыт эксплуатации промышленных установок с сжиганием топлив в псевдоожиженном слое катализатора показал перспективность и многообещающее будущее каталитического способа сжигания, особенно в области создания экологически чистых автономных теплофикационных установок среднего масштаба.

    Литература.

    1. Пат. 826798. Способ сжигания топлив /Г.К.Боресков, Э.А. Левицкий// Б.И. No20, 1983.
    2. Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. М.: Наука, 1986.
    3. Симонов А. Д., Исмагилов З. Р., Коротких В. Н. Современные проблемы тепло-и массообмена в химической технологии. Минск.: ИТМО им. Лыкова. 1986. Т. 2. С. 74-88.
    4. Кириллов Г.А. Дисс... канд. техн. наук, Новосибирск, 1991.
    5. Симонов А.Д., Языков Н.А., Хим. пром-сть. 1996. Т.6. №3. С. 191-196.

    A.D.Simonov, N.A.Yazykov, P.I.Vedyakin, G.A.Lavrov, V.N.Parmon,

    Novosibirsk, Boreskov Institute of Catalysis

    MOBILE CATALYTIC LOCAL HEAT SUPPLY UNITS

    A new technology of fuel combustion, offered by the Boreskov Institute of Catalysis in industrial scale, allows avoiding many disadvantages of the high-temperature fuel combustion. The technology is based on a combination of four principles: use of heterogeneous catalysts for complete oxidation of combustibles; combustion of fuels in a fluidized bed of catalyst particles; combustion of fuels without a significant excess of air; overlapping the processes of heat release and removal within the same fluidized bed. Pilot catalytic heat supply units (CHSU) have being used since the early 1980s to heat the auxiliary and constructed buildings. Since 1993 30 industrial CHSUs operate successfully and reliably at different facilities in the Novosibirsk Province, Russia; all working parameters correspond to the design values. Automatic feedback between the temperature of circulating water and fuel feed allows minimizing the fuel consumption, in regard to the heat yield and temperature of the outside air. The content of toxic substances in the CHSU flue gases does not exceed sanitary norms. An important advantage of catalytic combustion in the fluidized catalyst bed is the opportunity to burn efficiently the solid fuels (coal, peat) as well.