CC BY
15К ВОПРОСУ О ПЕРЕВОДЕ КАМЕР СГОРАНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК С РЕЖИМА ГОМОГЕННОГО ФАКЕЛЬНОГО СЖИГАНИЯ ГАЗОВОГО ТОПЛИВА НА ГЕТЕРОГЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ГОРЕНИЕ
В.В. Барелко, Н.В. Быкова, Д.Н. Соколов, Л.А. Быков, О.Ф. Бризицкий*,
В.Я. Терентьев*, Ю.В. Морозов*
Институт проблем химической физики РАН, просп. Акад. Семенова, д.1, Черноголовка, Московская область, 142432, Россия *Российский федеральный ядерный центр - ВНИИЭФ, Саров
На основе результатов исследований динамических особенностей каталитического горения пропанового автотоплива на кассетном стеклотканом катализаторе в условиях малых времен контакта развита концепция об экономических, технологических и эксплуатационных перспективах перевода камер сгорания в газотурбинных установках с гомогенно-факельного сжигания топлива на режим гетерогенно-каталитического горения: упрощение системы управления мощностью установки и расширение диапазона варьирования мощностью, легко реализуемое регулирование в широких пределах температуры рабочего тела, исключение потерь тепла в узлах охлаждения рабочего потока перед подачей на лопатки турбины, повышение уровня экологичности процесса.
TO THE MATTER OF GAS TURBINE COMBUSTION CHAMBER CONVERSION FROM FLARE GAS FUEL COMBUSTION TO HETEROGENIC CATALYTIC COMBUSTION
V.V. Barelko, N.V. Bykova, D.N. Sokolov, L.A. Bykov, O.F. Brizitsky*, V.Ya. Terentiev*, Yu.V. Morozov*
Institute of Problems of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences Acad. Semenov av., 1, Chernogolovka, Moscow region, 142432, Russia *Russian Federal Nuclear Center - All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics
Mira pr., 37, Sarov, Russia
On the basis of research results of dynamic features of catalytic combustion of car's propane fuel with fiber glass woven cassette catalyst in regime of short contact times the conception is advanced about economical, technological and operational prospects of transfer of combustion chambers in gas-turbine units with homogeneous combustion of gas fuel into the regime of heterogeneous catalytic combustion: simplification of executive system of unit capacity and expansion of power range, easily realizable regulation over a wide range of combustion gases temperature, exception of heat loss in cooling units of working thread before feeding on turbine blades, increase of level of ecological compatibility of process.
Хорошо известно, что газотурбинные установки относятся к числу исключительно важных и распространенных систем, широко применяемых в различных областях техники, энергетики, авиастроения. Сразу оговоримся, что в данном сообщении речь пойдет об энергетических газотурбинных установках относительно небольшой мощности, предназначенных для обеспечения локальных потребностей в электроэнергии ограниченных по площади территорий, т. е. о таком распространенном классе установок, которые ориентированы на удешевление применяемых при их изготовлении конструкционных материалов, на упрощение эксплуатационных схем управления и не очень требовательны к уровню КПД системы.
Камера сгорания газотурбинной установки (ГТУ) является одним из ключевых звеньев всей системы. При конструировании камеры сгорания ГТУ вплоть до настоящего времени повсеместно принята ориентация на факельное гомогенное сжигание газового топлива при генерации рабочего тела ГТУ. Такой режим работы камеры сгорания характеризуется существенными техническими недостатками:
1 - появление в выхлопах экологически вредных компонентов из-за неполноты сгорания топлива и образования оксидов азота;
2 - необходимость охлаждения продуктов горения на 1000 и более градусов перед подачей их на лопатки турбины из-за ограничений по термостойкости материалов лопаток, что, естественно, усложняет аппаратурное оформление ГТУ и схему ее управления;
3 - существенное ограничение интервала управления мощностью ГТУ из-за существования в гомогенном пламени нижнего и верхнего предела горения по концентрации топлива в газовоздушной смеси.
Априори представляется очевидным, что перевод камеры сгорания ГТУ с традиционного режима гомогенного горения на режим гетерогенно-каталити-ческого сжигания газового топлива может обеспечить существенные технические преимущества по целому ряду технических показателей ГТУ с каталитической камерой сгорания:
1 - обеспечение полноты сгорания топлива и исключение в выхлопах оксидов азота и других экологически вредных компонентов;
2 - обеспечение любой заданной температуры рабочего тела на выходе из камеры сгорания перед подачей на лопатки турбины путем варьирования концентрацией топлива в газовоздушной смеси;
3 - возможность плавного управления мощностью ГТУ, практически от нулевого значения до максимального.
Однако до настоящего времени каталитические камеры сгорания не нашли в ГТУ заметного технического применения. Здесь можно указать лишь на попытки использования каталитических элементов в камерах сгорания ГТУ в качестве воспламенителей факельного горения (см., например, патент [1] и цитированную там патентную литературу).
В качестве одной из главных причин отсутствия реального продвижения в разработке каталитических камер сгорания в схемах ГТУ является то обстоятельство, что традиционные для промышленного катализа насыпные гранулированные катализаторы непригодны для их использования в рассматриваемых системах.
Эффективный дизайн катализаторного узла камеры сгорания ГТУ может быть решен путем разработки кассетной структуры катализатора, собранной из листовых каталитических элементов, изготовленных в форме тканых (или нетканых) волокнистых изделий. В данной работе сделана попытка рассмотреть основные технические, конструкционные и режимные аспекты проблемы каталитической камеры сгорания ГТУ такого типа с использованием демонстрационного макета каталитической камеры сгорания и в лабораторных условиях модельного эксперимента.
Для изготовления каталитических кассет в работе применены кремнеземные стекловолокнистые тканые катализаторы (СВТК) в форме сеточного плетения различной геометрии, активированные платиной или палладием до содержания 0,1-0,2% масс. Этот тип катализаторов разработан авторами совместно с малым инновационным предприятием ООО «Химфист» и предназначен для широкого круга различных процессов, в том числе и для реакций каталитического горения (подробнее см. [2] и сайт www.chemphyst.ru).
На данном этапе работы в качестве горючего компонента было использовано штатное газовое автомобильное топливо на основе пропановой фракции, наполнявшееся для экспериментов в баллоны непосредственно на автозаправочных станциях.
Для визуализации картины перехода гомогенно горящего факела в режим каталитического горения и определения динамики этого перехода был создан макет камеры сгорания. Представительные кадры кинорегистрации этого процесса приведены на рис. 1.
Макет каталитической камеры сгорания изготовлен в форме плоской панели прямоугольного сечения размером 20x30 см. Кадр на рис. 1, а иллюстрирует конструкцию самой каталитической горелки, извлеченной из корпуса камеры. На верхней поверхности панели размещались послойно уложенные стеклотка-ные сеточные каталитические элементы. В макете, изображенном на фотографии, использованы активированные платиной каталитические сетки (концентрация платины в матрице сетки 0,15% масс.) с размером ячейки в свету 1-1,5 мм в количестве от 1 до 3 слоев. Каталитический пакет уплотнялся по периметру панели путем поджатия его к корпусу фланцевой рамкой. Газ из баллона подавался в камеру панели через калиброванную форсунку, а воздух в режиме диффузионного смешения с топливом подводился через открытые окна в патрубке горелки.
с
Рис. 1. Кадры кинограммы процесса «зажигания» стеклотканого катализатора в макете каталитической камеры сгорания Fig. 1. Film pictures of "ignition" process of fiber glass woven catalyst in a pilot model of catalytic combustion chamber
gg International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (67) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
После включения подачи газа в камеру осуществлялось зажигание топливной смеси от зажженной спички, поднесенной к поверхности каталитической панели. Эта процедура сопровождалась формированием гомогенного пламени, факел которого равномерно распределялся по поверхности панели (кадр Ь на рис. 1).
Буквально через несколько секунд гомогенное пламя исчезало, в течение 2-3 минут поверхность катализатора набирала «накал», и процесс полностью переходил в режим каталитического горения с очень узким плоским фронтом шириной, равной толщине каталитической сетки, т.е. 0,5-1 мм. Каталитическая сетка раскалялась до светло-оранжевого свечения, что соответствует температурам 850-900° С (кадр с на рис. 1).
Задачи следующего этапа данной работы состояли в определении режимных характеристик процесса каталитического горения пропанового газового топлива на СВТКаталитических материалах, знание которых необходимо для перехода к стадии практического оформления каталитических камер сгорания ГТУ. В перечень режимных характеристик должны быть включены следующие сведения об акте «зажигания» реакции в сборке катализатора и об установившемся стационарном режиме процесса каталитического горения:
1 - влияние типа активного компонента в стекло-волокнистой тканой матрице;
2 - влияние плотности и геометрии структуры тканой матрицы;
3 - влияние количества каталитических слоев в кассетной сборке катализатора;
4 - влияние гидродинамических факторов (скорости фильтрации газовоздушной смеси через каталитическую кассету);
5 - влияние концентрации топлива в газовоздушной смеси на тепловой режим работы каталитической кассеты.
Изучение обозначенных выше характеристик проведено в модельных условиях двух лабораторных реакторов, один из которых был изготовлен из стальных материалов, второй - из кварцевого стекла, обеспечивающего условия для визуализации процесса каталитического горения по накалу каталитического элемента. В конструкциях обеих моделей реализована единая схема загрузки ткано-листового катализатора: послойная укладка каталитических элементов с подачей потока реагентов по нормали к плоскости поверхности. Конструктивная схема кварцевого реактора приведена на рис. 2.
Компоненты газовоздушной смеси через расходомеры подаются в нижнюю часть корпуса реактора (1), являющуюся одновременно печью для нагрева реагентов на входе в реактор. Нихромовая спираль печи реактора питается от источника тока с варьируемым напряжением, что позволяет проводить эксперимент в режиме заданной постоянной температуры входящего в реактор газового потока или в режи-
ме сканирования по температуре с заданным темпом нагрева. Стеклотканые каталитические элементы (2) устанавливаются на коническом патрубке (3) и фиксируются на нем с помощью прижимного кольца (4). Верхняя часть корпуса реактора (5) соединяется с нижней с помощью шлиф-разъема, что позволяет визуализировать процесс «розжига» катализатора и динамику его выхода на стационарный режим по накалу каталитической поверхности. В верхней части корпуса расположены патрубки для ввода термопары (6), регистрирующей динамику процесса зажигания по температуре отходящих от каталитической кассеты продуктов, и для отбора проб (7) на хрома-тографическую регистрацию степени конверсии пропанового топлива.
ы
Рис. 2. Конструктивная схема лабораторного реактора для определения параметров процесса каталитического горения
на стеклотканом каталитическом элементе Fig. 2. Construction scheme of laboratory reactor to determine process parameters of catalytic combustion with fiber glass woven catalytic element
На данном этапе работы выбраны в качестве объектов рассмотрения три типа кремнеземных стекло-волокнистых тканых катализаторов, которые могут быть в дальнейшем использованы при переходе к разработке укрупненных моделей каталитических камер сгорания для проведения пилотных испытаний этих систем:
№ 1 - каталитический элемент сеточного плетения с ячейкой плетения в свету 1-1,5 мм, активированный платиной до содержания 0,15 % масс.;
№ 2 - каталитический элемент сеточного плетения с ячейкой плетения в свету 5 мм, активированный платиной до содержания 0,15 % масс.;
№ 3 - каталитический элемент сеточного плетения с ячейкой плетения в свету 1-1,5 мм, активированный палладием до содержания 0,15 % масс.
Каталитический элемент № 1 На рис. 3 приведена зависимость температуры «зажигания катализатора» от концентрации горючего компонента при варьировании его содержания в воздухе в интервале 2-4% об. (значение 4% близко к стехиометрическому соотношению). Опыты проведены при установке всего одного слоя тканого каталитического элемента. Линейная скорость потока реагентов составляла 1,7 см/с, что соответствует времени контакта реакционного потока с каталитической поверхностью 0,06 с1. Как видно из рисунка, температура «зажигания» незначительно уменьшается с увеличением концентрации горючего компонента и для примененного в работе газового топлива находится в интервале 200-250° С.
быстро развивается и в течение приблизительно 30 с выходит на стационарный устойчивый режим горения топлива на поверхности каталитического элемента. При отключении электронагрева потока на входе в реактор наблюдается гистерезисная картина (различие значений температур «зажигания» и «погасания»), присущая широкому классу реакций каталитического горения. При концентрации горючего 4% об. погасания не происходит: каталитическое горение реализуется в автотермическом режиме при полном отключении предварительного подогрева потока на входе в реактор. Такой пороговый характер процесса каталитического горения позволит на практике отказаться от розжига катализатора за счет прогрева входящего в камеру сгорания потока и перейти к эксплуатационно и технологически более выгодному способу автоволнового розжига каталитического элемента путем внесения на его поверхности локального теплового возмущения (подробнее об автоволновых процессах в реакциях каталитического горения см. в [3]).
Рис. 3. Зависимость температуры «зажигания» стеклотканого каталитического элемента от концентрации горючего компонента (пропанового топлива) в воздухе Fig. 3. Dependence of "ignition" temperature of fiber glass woven catalytic element from concentration of combustible component (propane fuel) in the air
Операция «зажигания катализатора», определение значения температуры зажигания и выявление динамической характеристики этого процесса проводились в режиме сканирования по температуре газовоздушной смеси на входе в реактор. Динамическая кривая на рис. 4, отражающая изменения во времени температуры газов, отходящих от каталитического элемента, иллюстрирует характер динамики зажигания каталитического процесса. Как видно из рисунка, зажигание носит критический (бифуркационный) характер: процесс каталитического горения включается практически скачком при переходе через пороговую температуру (температуру «зажигания»),
1 Для таких тонких слоев катализатора традиционное исчисление времени контакта не является вполне корректным, тем не менее, при определении этого параметра сохранена принятая для объемной загрузки формула: толщина одного слоя тканого каталитического элемента в 1 мм, деленная на скорость потока.
Рис. 4. Динамика процесса «зажигания» катализатора в пропано-воздушной смеси при концентрации топлива 4% об. в потоке воздуха 500 мл/мин Fig. 4. Process dynamics of "ignition" of the catalyst in propane-air mixture under the concentration of fuel 4% vol. in air flow 500 ml/min
Критический характер зажигания особенно наглядно проявляется на динамической кривой, регистрирующей конверсию топлива в ходе операции «зажигания» (рис. 5): как видно из рисунка, вплоть до достижения температурного порога зажигания признаков реакции не обнаруживается, т.е. конверсия топлива равна нулю; при переходе через порог реакция скачком включается, и конверсия топлива быстро достигает 100%-й величины (хроматограмма выхлопных газов регистрирует лишь следы горючего компонента в выхлопных газах). Такая высокая скорость каталитического горения топлива, обеспечивающая полную конверсию топлива в тонком (миллиметровом) фронте одного слоя каталитического элемента
подтверждает ранее выдвинутую концепцию [4] о нелэнгмюровском, гомогенно-гетерогенном, разветв-ленно-цепном механизме реакций каталитического горения в условиях ультрамалых времен контакта. Очевидно, что этот механизм процесса представляется весьма благоприятным обстоятельством с точки зрения эффективного конструирования каталитических камер сгорания ГТУ с применением тонких листовых, сеточных каталитических элементов.
Рис. 5. Конверсия пропанового топлива во времени до достижения критической температуры «зажигания» и после перехода через этот порог Fig. 5. Propane fuel conversion in the period up to achievement of critical temperature of "ignition" and after passing through it
Рис. 6. Динамика процесса «зажигания» катализатора в пропано-воздушной смеси при концентрации топлива 4% об. в потоке воздуха 1000 мл/мин Fig. 6. Process dynamics of "ignition" of the catalyst in propane-air mixture under the concentration of fuel 4% vol. in air flow 1000 ml/min
Влияние скорости потока газовоздушной смеси отражено в данных по динамике зажигания, представленных на рис. 6. Кривая зажигания зарегистрирована для содержащего 4% об. горючего компонента потока, вводимого в реактор с удвоенной против предыдущего опыта скоростью: 3,4 см/с, время контакта 0,03 с. В опытах установлено, что увеличение скорости потока сопровождается незначительным снижением температуры зажигания (на 10-20° С) и увеличением амплитуды реакционного разогрева отходящих от поверхности катализатора газов (675° С против 400° С). Динамика зажигания не претерпевает существенных изменений: время развития процесса остается на уровне 0,5 мин. Несмотря на значительное увеличение скорости потока (т.е. сокращение времени контакта), проскока горючего компонента не обнаружено, конверсия топлива сохранила свое 100%-е значение.
Каталитический элемент № 2
Эта серия опытов была нацелена на выяснение вопроса о влиянии плотности тканья каталитического элемента (т.е. его массы) на параметры зажигания каталитического горения. Приведенные ниже данные получены при использовании каталитической сетки большой разреженности (ячейка 5 мм против 1-1,5 мм в предыдущей серии) с уменьшением удельной плотности тканой матрицы (массы, отнесенной к единице поверхности сетки) в 6 раз. Содержание платины сохранено неизменным на уровне 0,15% масс., в реактор, как и в предыдущем опыте, устанавливался один слой такого каталитического элемента.
Процесс зажигания проведен в реакторе с одиночным каталитическим элементом № 2 при содержании горючего в потоке 4% об. и скорости потока реагентов 1,7 см/с.
Несмотря на многократное сокращение массы катализатора, в эксперименте не выявлено заметных изменений в характеристиках зажигания по сравнению с аналогичным экспериментом с каталитическим образцом № 1: температура зажигания осталась на прежнем уровне, динамика розжига сохранила свой темп, амплитуда разогрева реакционной смеси также осталась на прежнем уровне, горючий компонент проконвертировал до 100%. Эти результаты дают основание для поиска оптимальных структур СВТК для камер сгорания ГТУ путем сокращения масс каталитических элементов, т.е. значительного их удешевления за счет сокращения вложений благородных металлов в эти устройства.
Каталитический элемент № 3
Эта серия опытов была нацелена на выяснение вопроса об эффективности использования палладия в качестве активного компонента стеклотканого катализатора как значительно более дешевого материала в сравнении с платиновой альтернативой.
Установлено, что в идентичных условиях эксперимента активность палладированного стеклоткано-
го каталитического элемента в 1,5-2 раза ниже аналогичного платинированного. Палладированный элемент зажигается труднее, чем платинированный: температура зажигания на 30-50° С выше. Однако, учитывая экономический фактор, можно заключить, что применение в камерах сгорания ГТУ палладиро-ванных элементов имеет серьезные технологические перспективы.
Как уже отмечалось, проведенный этап исследований соответствовал уровню лабораторного моделирования каталитической камеры сгорания. Полученные в данной работе результаты представляют собой базовый материал, позволяющий перейти к следующему этапу развития проблемы каталитических камер сгорания ГТУ, задачи которого содержат следующие позиции:
1 - разработка укрупненной полупромышленной установки;
2 - оптимизация каталитических элементов и дизайна каталитического пакета;
3 - проведение пилотных испытаний камеры сгорания в условиях, приближенных к промышленным (давление в камере, скорость потока и его температура на выходе из каталитической зоны);
4 - поиск оптимальных листовых каталитических материалов в ряду неметаллических и металлических волокнистых объектов (как тканых, так и нетканых структурных композиций);
5 - проведение анализа ресурсных характеристик предлагаемого к эксплуатации каталитического пакета и определение степени устойчивости во времени и пространстве стационарных однородных режимов каталитического горения на его поверхности (подавление доменных структур и пульсационных явлений);
6 - изучение особенностей каталитического горения с применением штатного для ГТУ топлива -природного газа (метана).
В заключение следует отметить, что установленные в данной работе закономерности процессов каталитического горения на стеклотканых каталитиче-
ских материалах (материалах нового поколения катализаторов) нацелены на использование их не только в камерах сгорания газотурбинных установок, но и в широком спектре систем для генерации тепла, основанных на применении каталитического принципа сжигания топлива, в частности, таких как каталитические топки, системы локального обогрева рабочих мест вместо центрального отопления производственных помещений, всякого рода каталитические каминные устройства, системы обогрева парниковых сооружений, устройства для пускового обогрева транспортных двигателей, работающих в заполярных регионах, и др. Однако рассмотрение этих областей применения данной разработки требует специального изучения и выходит за рамки настоящей публикации.
Авторы выражают благодарность А.П. Хрущу и А.Ф. Черашеву за помощь при изготовлении макета каталитической камеры сгорания (при изготовлении были использованы отдельные конструктивные элементы бытового газового нагревателя «Арго» производства ОАО «Эталон»).
Список литературы
1. Эзрохи А.Б. «Каталитический воспламенитель». Патент РФ № 2232349, дата публикации 10.07.2004.
2. Барелко В.В. От разветвленно-цепной теории гетерогенного катализа к новым каталитическим технологиям // Машиностроитель. 2006. № 5. С. 32-42.
3. Барелко В.В. Явления бегущих волн в реакциях глубокого окисления на платине / Сб. Проблемы кинетики и катализа, т. 18 (Глубокое каталитическое окисление углеводородов). М.: Наука, 1981. С. 61-80.
4. Барелко В.В., Хрущ А.П., Черашев А.Ф. Нелэн-гмюровские механизмы в реакциях каталитического горения на платине // Химическая физика. 2000. Т. 19, № 5. С. 29-35.
