Э. А. ЛЕВИЦКИЙ, заведующий лабораторией синтеза носителей для катализаторов того же института

В недрах нашей планеты "хранятся" многие миллиарды тонн горючих веществ: нефть, уголь, природный газ. Но как бы хорошо ни обстояли дела с их добычей, все же стоимость природного топлива будет возрастать. И это вполне естественно: ведь то сырье, что лежит на "поверхности" в довольно доступных районах, стремительно расходуется. В поисках топлива приходится проникать все глубже под землю. А это сопряжено с огромными трудовыми и финансовыми затратами.

Перед человечеством встает одна из самых серьезных проблем: поиск альтернативных вариантов современному техническому развитию. Наряду с разработкой качественно новых энергоресурсов (атомной и термоядерной энергии) актуальна и, видимо, долго будет оставаться таковой и проблема оптимальной утилизации энергии органического топлива.

Как ни печально, но коэффициент полезного использования энергии топлива, так называемый КПИ, в промышленных технологических процессах достигает лишь 40 %, остальные же 60 тратятся на нагрев... атмосферы. При этом каждый год в атмосферу попадают миллионы тонн вредных для окружающей среды веществ: угарный газ, окислы азота и серы, соединения тяжелых металлов, а также органические продукты неполного сгорания, включая канцерогенные. Топливно-энергетический комплекс сегодня по объему токсичных выбросов во много раз превосходит другие источники.

В настоящее время газообразное и жидкое топливо сжигается в основном в температурном интервале от 1400 до 1800 К в факельных печах. Такой способ достаточно эффективен, но для технологических целей не всегда удобен. Часто топочные газы, образующиеся в результате сжигания и имеющие высокую температуру, необходимо использовать для нагрева рабочего тела до умеренных температур. Для этого их либо разбавляют холодным воздухом, либо сжигание топлива производят с избытком воздуха.

В обоих случаях потери тепла и снижение КПИ связаны с теплосодержанием отходящих дымовых газов. Чем меньше их объем и ниже температура, тем меньше доля тепла, выбрасываемая в атмосферу, следовательно, выше доля тепла, переданная нагреваемому рабочему телу, выше тепловой КПИ. Поэтому главное условие оптимизации процесса - проведение горения при минимальных избытках воздуха. Его теоретический расход определяется количеством кислорода, которое необходимо для превращения всего углерода, содержащегося в топливе, в углекислый газ, а водорода - в воду Если дать кислорода меньше, то резко снизится полнота сгорания топлива. Однако при сжигании таких концентрированных (оптимальных с теплотехнической точки зрения) топливно-воздушных смесей развивается высокая температура (как правило, выше 2300 К), что приводит к ряду крайне нежелательных последствий, важнейшим из которых является образование токсичной окиси азота. В результате теряется часть тепла и образуются токсичные окиси углерода и окислы азота. Возникает очевидное противоречие: повышение коэффициента полезного использования тепла сопровождается ухудшением состояния воздушной среды.

Чтобы полностью ликвидировать токсичные компоненты в продуктах сгорания, надо в принципе из-

стр. 26

менить самую суть этого процесса: сделать горение стабильным и интенсивным при температуре существенно ниже 1300 К.

Необходимость проведения горения при высокой температуре определяется наличием энергетического барьера реакции взаимодействия молекул топлива с кислородом. Известно, что даже в случаях, когда взаимодействие молекул каких-либо веществ энергетически выгодно, процесс этот, как правило, не протекает самопроизвольно при невысоких температурах вследствие значительного отталкивания молекул при их сближении. Для преодоления такого отталкивания требуется дополнительная энергия, называемая "энергией активации". Эта задача и решается с помощью катализа.

Взаимодействуя с реагирующими веществами, катализатор снижает энергию активации и тем самым увеличивает скорость химического превращения. Такое ускорение во многих случаях приводит к весьма значительному снижению температуры химического взаимодействия. Простой пример: для горения окиси углерода в смесях с кислородом воздуха необходима температура 1000 К, а при наличии катализатора скорость этого процесса достаточно высока даже при 300 К.

Катализатор может быть использован для ускорения всех термодинамически возможных превращений. Причем важно, что его применение ускоряет химические реакции без расхода энергии и самого катализатора. Этим и объясняется чрезвычайно широкое и быстро растущее его использование в промышленности.

Исследования и опытные работы показывают, что уже в интервале температур 700-1000 К скорость каталитического сжигания жидких и газовых топлив такова, что тепловыделение составляет около 100 млн. ккал на кубометр объема в час. Такой же теплонапряженности удается достигнуть в рекордном по тепловой нагрузке устройстве современной техники - камере сгорания авиационной газовой турбины. Однако в последнем случае необходимы давление около 10 атм и температура 3300 К. По сравнению же с факельными печами, работающими при давлении, близком к атмосферному, каталитическое окисление позволяет увеличить интенсивность процесса примерно в 100 раз при снижении температуры в 2 - 3 раза.

Наши коллеги из головного проектного института нефтеперерабатывающей промышленности сравнили двухзонную вертикальную печь для испарения 120 т бензина в час (а это, по нынешним понятиям, весьма неплохой агрегат) и устройство той же мощности на базе каталитического генератора тепла (КГТ). Оказалось, что тепловой КП И в первом случае - 75 %, во втором - 92. При этом объем установки снизился в 15 раз, а стоимость - вдвое. Тонна катализатора, израсходованного в генераторе, экономит от 100 до 500 т условного топлива.

Пока каталитические генераторы ориентированы на сжигание газового и жидкого топлива, но изучается и окисление различных углей, включая дешевые бурые канско-ачинские. Их использование имеет большое значение для выработки электроэнергии.

стр. 27

Основная проблема при каталитическом горении топлива - отвод тепла от катализатора к нагреваемому рабочему телу.

Наиболее общим инженерно-техническим решением является осуществление процесса каталитического сжигания топлива на твердых катализаторах, что связано, однако, с большими технологическими трудностями вследствие интенсивного тепловыделения, приводящего к перегреву катализатора и его дезактивации. Необходимо было разработать конструкцию реакторов и технологические режимы, обеспечивающие эффективный теплоотвод в процессе каталитического горения, и создать катализаторы, сочетающие высокую активность с достаточной термической и механической устойчивостью. Собственно решение этих задач и предопределяло возможность широкой промышленной реализации КГТ.

В течение ряда лет коллектив сотрудников нашего института под руководством автора статьи интенсивно разрабатывает эти проблемы, последовательно усложняя задачи в части утяжеления топлив и увеличения масштаба опытных установок. Если первый опытно-промышленный КГТ мог работать только на легко окисляемом газе, содержащем значительное количество водорода и этилена в присутствии катализатора, включающего металлическую платину, то сегодня аппараты работают на мазуте, а в качестве активных компонентов катализатора используются вполне доступные окислы переходных металлов (хрома, железа, меди и марганца). При большом разнообразии топлив - от водорода и окиси углерода до тяжелых нефтяных остатков и углей, а также при разнообразии рабочих процессов, речь идет не о разработке одного универсального катализатора для всех вариантов систем, а о создании достаточно широкого ряда сортов катализаторов для различных каталитических процессов сжигания топлива.

Впрочем, можно выделить ряд общих требований к этим катализаторам. Так, во всех случаях они должны представлять собой гранулы сферической формы. Этим обеспечиваются минимальное внутреннее трение в кипящем (псевдоожиженном) слое частиц, т. е. отсутствие комкования гранул, и минимальный механический износ (истирание). Кроме того, необходима достаточно высокая механическая прочность гранул в условиях непрерывного движения в реакционной среде.

Катализаторы должны быть устойчивы к действию коксовых отложений, сернистых соединений топлива, а также его зольных компонентов. Масштабность потенциального применения процессов каталитического сжигания топлив накладывает очевидные ограничения на использование в составе катализаторов таких дефицитных и дорогостоящих компонентов, как драгоценные металлы (платина, палладий), а также некоторых остродефицитных цветных металлов; в ряде случаев ограничивается применение соединений токсичных компонентов (меди, хрома, марганца и др.). Выполнение всех требований (порой противоречивых) значительно осложняет задачу подбора катализаторов для КГТ.

Но не все определяется только подбором катализаторов. Так, проблема термической устойчивости не может быть сведена лишь к подбору термостойких композиций. Современные твердофазные катализаторы представляют собой пористые конгломераты, состоящие из высокодисперсных первичных частиц размером от десятков до сотен ангстрем, имеющих удельную поверхность в десятки или сотни квадратных метров на грамм катализатора. Высокотемпературная обработка таких материалов приводит к их спеканию, укрупнению первичных частиц, снижению удельной поверхности и тем самым к значительной дезактивации катализаторов. Как правило, катализаторы устойчивы при температурах до 1100 К. Специальными добавками и другими техническими приемами можно поднять границу термической стабильности до уровня 1300-1500 К. Однако если в КГТ возникнут какие- либо области неоднородности (так называемые "застойные зоны"), откуда затруднен отвод тепла, то температура в таких очагах может достигнуть 2300 К, что много выше, чем реально достигаемая граница термической устойчивости катализаторов.

Значит, необходимо найти такие параметры гидродинамического режима реакторов кипящего слоя и конструктивное оформление, которые исключали бы возникновение "застойных зон" и перегрев зерен катализаторов. В результате проведенных экспериментальных работ необходимые условия были найдены.

Сегодня процессы каталитического окисления топлив с одновременным отводом тепла к нагреваемому рабочему телу реализованы в достаточно крупном масштабе. КГТ обеспечивают существенное повышение эффективности использования топливных ресурсов без выделения токсичных продуктов - окисей углерода и азота - и позволяют резко уменьшить объемы промышленных печей.

На действующих установках укрупненного масштаба достигнут коэффициент полезного использования тепла, выделяющегося при сжигании топлива, около 95 %, что примерно в 1,5 раза выше, чем в аналогичных водогрейных котлах и испарительных установках. Это означает: использование каждой тонны катализатора обеспечивает экономию нескольких сотен тонн условного топлива, что определяет значительный экономический эффект развития каталитических процессов сжигания. Следует также учесть, что совмещение в КГТ функций топки, теплообменного аппарата и экономайзера делает его при той же тепловой мощности более компактным и менее материалоемким, чем современный паровой или водогрейный котел.

Таким образом, развитие фундаментальных физико- химических исследований в области катализа приведет к возникновению новой отрасли теплотехники, обеспечивающей комплексное решение основных проблем теплоэнергетики.

Наука в СССР N 1, 1983

Permanent link to this publication: