ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 77, № 9, с. 819-8"
ИЗ РАБОЧЕЙ ТЕТРАДИ ИССЛЕДОВАТЕЛЯ
Статья посвящена комплексным исследованиям каталитических камер сгорания для современных газотурбинных установок, которые проводились в Институте катализа СО РАН и ЦИАМе. Результаты показывают возможность создания на базе отечественных высоких технологий эффективных камер сгорания этого типа.
ПРИМЕНЕНИЕ КАТАЛИТИЧЕСКИХ КАМЕР СГОРАНИЯ В ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВКАХ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО
ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
В. Н. Пармон, 3. Р. Исмагилов, О. Н. Фаворский, А. А. Белоконь, В. М. Захаров
Развитие современной энергетики во многих странах мира пошло по пути децентрализации энергоснабжения, приближения энергетических установок к потребителям, упрощения и удешевления магистралей для передачи электрической и особенно тепловой энергии. Это не только снижает капитальные затраты, в первую очередь на землю, но и повышает надёжность энергоснабжения. Всё это очень существенно для России с её огромными расстояниями и большими территориями с холодным климатом.
Перспективными "кандидатами" генерирующих мощностей на формирующемся рынке энергетики, несомненно, являются энергетические газотурбинные установки (ГТУ) небольшой мощности (от десятков кВт до 1.5-2 МВт), обладающие рядом преимуществ перед традиционно применяемым дизельным приводом электрогенераторов. Это прежде всего существенно улучшенные экологические
характеристики ГТУ (эмиссия, шум, вибрация) и их более простое обслуживание, а также большая эффективность и относительная простота осуществления теплофикационного режима, то есть получения пара и горячей воды. В то же время высокая топливная экономичность и широко налаженный серийный выпуск дизелей, предназначенных для децентрализованного электроснабжения, являются пока преимуществом этого типа привода.
Особое значение для газотурбинных установок децентрализованного энергоснабжения имеет уровень выбросов (эмиссии) загрязняющих атмосферу веществ, так как сравнительно небольшие мощности ГТУ исключают возможность использования такого традиционного ресурса улучшения экологической обстановки на территории, непосредственно прилегающей к месту их размещения, как рассеивание выхлопных газов с помощью высоких дымовых труб. Это обстоятельство, а также
кШйкйГкйМШ
ПАРМОН Валентин Николаевич - академик, директор Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН. ИСМАГИЛОВ Зинфер Ришатович - доктор химических наук, заведующий лабораторией экологического катализа того же института. ФАВОРСКИЙ Олег Николаевич - академик, советник РАН. БЕЛОКОНЬ Александр Алексеевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Центрального института авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ). ЗАХАРОВ Владимир Миронович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник ЦИАМа.
819
4*
размещение таких установок в непосредственной близости от потребителя приводят к тому, что фактические требования к содержанию в выхлопных газах загрязняющих атмосферу веществ для ГТУ децентрализованного энергоснабжения оказываются более жёсткими, чем для мощных энергетических газовых турбин, используемых на крупных тепловых электростанциях. Современными стандартами для ГТУ предусматривается ограничение выброса оксидов азота (N0*), несго-ревших углеводородов (НС), оксида углерода (СО), оксидов серы ^0Х) и дыма.
Аналогичными факторами продиктованы и более жёсткие требования к уровню шума газотурбинного привода мини-ГТУ.
Чтобы обеспечить конкурентоспособность вновь разрабатываемых газотурбинных установок децентрализованного электроснабжения в плане экономичности, необходимо перейти от простых циклов ГТУ к использованию схем со значительной регенерацией тепла выхлопных газов за турбиной и подводом этого тепла в регенераторе к воздуху, поступающему в камеру сгорания. При этом коэффициент полезного действия ГТУ регенеративного цикла оказывается близким к современным значениям КПД дизельного привода.
Повышенная температура воздуха на входе в камеру сгорания (800-850 К), реализуемая в регенеративном цикле современной ГТУ, полностью исключает возможность использования в таких установках традиционных диффузионных камер сгорания по причине чрезвычайно высокой эмиссии оксидов азота. Известно, что эмиссия этого наиболее токсичного из нормируемых компонентов продуктов сгорания определяется прежде всего уровнем температуры газа в зоне горения, которая для диффузионного режима оказывается максимально возможной для заданных условий процесса, то есть близкой к температуре горения стехиометрической смеси топлива и воздуха [1].
При столь высокой начальной температуре в известной степени осложнено и использование так называемых гомогенных камер сгорания, обладающих более благоприятными характеристиками относительно эмиссии оксидов азота. В зону горения гомогенных камер поступает предварительно подготовленная бедная топливовоздушная смесь, что обеспечивает снижение температуры в этой зоне. Для камер сгорания этого типа повышенная до 800-850 К начальная температура не позволяет, например, надёжно исключить проскок пламени в зону подготовки топливовоздушной смеси.
Поэтому вполне естественным представляется использование в газовых турбинах принципиально нового процесса сжигания топлива - каталитического. Каталитическое сжигание резко отличается от традиционных способов, так как окисление топлива может происходить на поверхности
твёрдого катализатора при уникально низких температурах - 650-1200 K, что практически исключает образование оксидов азота в этом процессе. В последние 20 лет теория и практика каталитического сжигания топлив развивается во многих лабораториях мира. Периодически проводятся международные конгрессы по этой теме -"Workshops on Catalytic Combustion". Внимание исследователей посвящено синтезу новых активных катализаторов и применению каталитического сжигания топлив в различных устройствах, включая газовые турбины [2-4]. Первоначально концепция использования каталитического сжигания в газовых турбинах была предложена в середине 70-х годов XX в. [5]. Последующие годы показали её перспективность, так как стало возможным радикально снизить выбросы загрязняющих атмосферу продуктов неполного сгорания (CO, HC) до значений ниже 10 ppm (в отечественных экологических стандартах для ГТУ вместо этой международной единицы измерения объёмной концентрации - частей на миллион - используется эквивалентная ей единица - см3/м3) и, что особенно важно, концентрацию NOx до ~3 ppm [6, 7]. Последнее обстоятельство имеет, по нашему мнению, решающее значение при выборе типа привода для энергетических установок децентрализованного энергоснабжения. В последнее время в мировой литературе отмечается резкое увеличение публикаций, посвящённых различным аспектам применения каталитического сжигания топлив в газотурбинных установках. Возрастает и количество патентов, направленных на совершенствование характеристик каталитических камер сгорания. В США разработана и доведена до стадии коммерческого продукта энергетическая ГТУ мощностью 1.5 МВт с каталитической камерой сгорания [7].
Разработка технологии каталитического сжигания топлив в газотурбинных установках требует комплексного подхода, основанного на использовании усовершенствованных схем ГТУ, создания высокоактивных и термостабильных катализаторов, оптимизации рабочего процесса и выбора конструктивных схем каталитических камер сгорания.
Комплексные исследования в этом направлении начаты в 2000 г. в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН и Центральном институте авиационного моторостроения им. П.И. Баранова (ЦИАМ).
Главными задачами исследований были:
• разработка схем и выбор законов регулирования энергетических газотурбинных установок, обеспечивающих благоприятные условия для осуществления эффективного процесса окисления топлива в каталитической камере сгорания;
• разработка активных и вспомогательных компонентов катализаторов, предназначенных для использования в каталитической камере сго-
рания ГТУ и технологии их синтеза; выбор типа носителя для каталитических материалов;
• выбор схемных и конструктивных решений для каталитических камер сгорания с перспективой адаптации к различным ГТУ, обеспечивающих выполнение комплекса эксплуатационных требований, включая экологические ограничения на выброс (эмиссию) загрязняющих атмосферу веществ и сохранение работоспособности каталитической камеры при эксплуатации газотурбинной установки в течение не менее 10000 часов.
Основные требования к катализаторам сжигания углеводородных топлив могут быть сформулированы следующим образом [2]: катализатор должен инициировать зажигание топливовоздушной смеси при как можно более низкой температуре; каталитическая активность должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить полное сжигание топлива при сравнительно низких начальных температурах, характерных, например, для пониженных режимов работы ГТУ, и сохраняться при выбранной максимальной рабочей температуре в течение длительного времени; носитель должен обладать высокой удельной поверхностью, низким гидравлическим сопротивлением, высокой термостабильностью и обеспечивать длительную работу катализатора при высоких температурах.
По применяемым активным веществам существующие катализаторы процессов сжигания углеводородных топлив делятся на две группы: на основе благородных металлов, в основном Pd и Р^ и на основе оксидов переходных металлов (Мп, Со, Fe и др.), в том числе сложного состава (шпинели, перовскиты, гексаалюминаты). Наиболее активными в реакции окисления метана являются палладиевые катализаторы. В литературе широко представлены подробные исследования каталитического сжигания метана на этих катализаторах и состояния активных каталитических центров на палладиевых катализаторах, нанесённых на оксид алюминия [8]. На основании результатов работ можно сделать вывод, что высокая активность палладиевых катализаторов обусловлена образованием высокоактивных каталитических центров на основе оксида палладия. Такие центры стабильны до температуры разложения Pd0, которая составляет 770-1070 К в зависимос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.