Каталитические технологии сжигания топлив.

Традиционные энерготехнологические установки основаны на высокотемпературном (обычно около 1200°С) факельном сжигании топлив и являются одним из основных источников загрязнения атмосферы теплом и вредными веществами. Всем традиционным отопительным системам с факельным сжиганием топлива присущи общие недостатки:

1) большой выброс в атмосферу токсичных продуктов сгорания (оксидов азота и серы, монооксида углерода, бензпиренов), существенно превышающий санитарные нормы и поэтому затрудняющий использование та­ких установок в городской черте;

2) повышенные капитальные затраты за счет больших габаритов систем, обусловленных в основном низкими коэффициентами теплоотдачи от горячих дымовых газов к теплообменным поверхностям;

3) взрывопожароопасность систем;

4) высокие требования к конструкционным материалам, которые должны быть жаростойкими и долговечными.

В Институте катализа СО РАН была предложена нетрадиционная технология сжигания жид­ких, газообразных и твердых топлив в присутствии катализаторов, которая позволяет ликвидировать многие недостатки высокотемпературного сжигания топлив. В основу технологии заложено сочетание четырех принципов:

• применение катализаторов полного окисления веществ;

• сжигание топлив в псевдоожиженном (кипящем) 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 вообще. 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, 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 топливно-воздушных сме­сей даже без избытка воздуха.

В псевдоожиженном состоянии гранулы катализатора являются одно­временно и твердым теплоносителем, обеспечивая высокие коэффициенты теплоотдачи к поверхности теплообменника. Наличие катализатора, в срав­нении с традиционными способами сжигания, позволяет ослабить требова­ния к термохимическим свойствам конструкционных материалов аппаратов, уменьшить потери теплоты через стенки аппаратов, облегчить запуск систе­мы в работу и управление процессом, а также исключить протекание вто­ричных эндотермических реакций с образованием токсичных продуктов. Использование катализатора также позволяет снизить взрывоопасность уст­ройств, так как топливо и воздух подаются в псевдоожиженный слой раз­дельно, и, кроме того, достичь высоких значений теплонапряженности объема топочного пространства и, следовательно, значи­тельно снизить габариты, вес и металлоемкость конструкций. Новая катали­тическая технология сжигания позволила создать эффективные и безопасные аппараты для нагрева и испарения жидкостей, в том числе теплофикационные установки, и, кроме того, аппараты для сушки и термообработки материалов, для обезвреживания промышленных выбросов (газовых, жидких и твердых) и многих других процессов.

Особенностью и преимуществом каталитических генераторов тепла (КГТ), разработанных в Ин­ституте катализа (мощностью от 200 кВт и выше), является наличие в слое горизонтальной секционирующей решетки, которая тормозит свободную циркуляцию катализатора и разделя­ет псевдоожиженныи слой на две зоны - нижнюю, с температурой 600 - 750°С, достаточной для полного окисления топлива, и верхнюю, температу­ра которой может быть понижена до 200 - 300°С за счет отвода тепла. Это минимизирует потери теплоты с отходящими газами и позволяет прово­дить эффективно при контролируемой температуре различные технологиче­ские процессы, такие как нагрев, сушка и термообработка различных по­рошковых материалов.