Сжигание в кипящем слое катализатора-экологически чистая технология переработки топлив и отходов

Новосибирск, 2021

Дубинин Юрий Владимирович

К.х.н., н.с. Инжинирингового центра

Института катализа СО РАН

2

КАТАЛИЗ ВОКРУГ НАС…

КАТАЛИЗ

и ДАЖЕ ВНУТРИ НАС

Явление катализа

3

Йенс Якоб Берцелиус – 1835 год – термин «Катализ»

Ускорение процесса за счет промежуточного взаимодействия с катализатором

4

Разновидности катализа

4

ГЕТЕРОГЕННЫЙ

КАТАЛИЗ

Реакция на границе раздела фаз Т-Г, Т-Ж

ГОМОГЕННЫЙ

КАТАЛИЗ

Катализ

ферментами

Реагирующие вещества и катализатор в одной фазе

CH₂=CH₂ + H₂ → CH₃-CH₃

«Сердце» катализатора – активный центр

5

5

Окисление СО до CO₂ на Fe-Pt катализаторе

Гидрирование на Ni катализаторе

Катализ ферментами: «ключ-замок»

6

История развития катализа

7

Первый процесс с участием катализа:

3500 лет до н.э.

Брожение виноградного сока в обожжённых глиняных амфорах

Средние века: получение серной кислоты

I. XVIII – XIX века: отдельные органические реакции, первое понимание катализа

II. Начало XX века: производство маргарина

III. Первая половина XX века: синтетические полимеры

IV. 1930-е года: нефтепереработка, получение жидких топлив

V. Вторая половина XX века: экологический катализ

Катализ сегодня

8

Подготовка специалистов высокого класса совместно с:

• Кафедра катализа и адсорбции, ФЕН НГУ
• Кафедра физической химии, ФЕН НГУ
• Кафедра химической и биологической физики, ФФ НГУ
• Кафедра инженерных проблем экологии, ФЛА НГТУ
• Кафедру химии и химической технологии, МТФ НГТУ
• Кафедра химии высокомолекулярных соединений и нефтехимии, ТГУ
• Кафедра физической и коллоидной химии, ТГУ

Направления деятельности

9

ИК СО РАН

Фундаментальные исследования

Прикладные

разработки

Опытное производство катализаторов

• Стремление заглянуть на атомно-молекулярный уровень
• Предсказание каталитического действия
• Оптимизация катализаторов и каталитических процессов

• Масштабирование катализаторов, созданных «в пробирках»

• Внедрение разработок на промышленные предприятия

Катализ: завтра

10

«Катализ будущего» должен решать вопросы, которые становятся актуальными уже сегодня

• Новые источники энергии, в том числе возобновляемые
• Новые материалы с уникальными свойствами
• Решение экологических проблем
• Разработка новых лекарств
• Воссоздание природных механизмов

​

Главный ресурс в решении сегодняшних и будущих проблем – новые поколения исследователей

Лаборатория каталитических процессов �переработки возобновляемого сырья

11

ЛКППВС

Синтез и облагораживание

биотоплив

Процессы в кипящем слое

катализатора

Новые подходы каталитической

переработки нефти

и нефтепродуктов

Области применения технологии

12

Кипящий слой катализатора и/или инертного материала

Сжигание топлива с выделением тепла

Утилизация бытовых отходов

Сжигание низкокачественных и низкокалорийных топлив

Катализ в кипящем слое

13

Преимущества:

• Низкая температура сжигания топлива 650-750^оС
• Пониженные требования к конструкционным материалам
• Меньшие размеры и металлоемкость конструкций
• Отсутствие или низкое содержание вредных выбросов (CO, NO_x, SO_x)

Актуальность применения сжигания в кипящем слое

14

I. Повышение интереса к некондиционным и возобновляемым видам топлива

II. Особый интерес к промышленным и коммунальным отходам

Битуминозный песок

Невозможность применения традиционных методов из-за высокой зольности, влажности и низкой калорийности

Горючий сланец

Ежегодно в России образуется более 7 млн. т осадков очистных сооружений коммунального хозяйства

Особенности:

Высокая зольность (сланцы 40-80%, БП до 95%);

Низкая калорийность (≤ 4000 ккал/кг)

Особенности:

Высокая влажность

Низкая калорийность (≤ 4000 ккал/кг)

Высокая токсичность (ртуть, диоксины)

Реализация технологии

15

Реальность:

Фирмой ООО «ТермоСофт-Сибирь» построены и введены в эксплуатацию ряд котельных на угле:

2008 г. – п. Артышта (Кемеровская область) 3 Гкал/ч

2010 г. – г. Юрга (Кемеровская область) – 1 Гкал/ч

2011 г. – ст. Кулунда (Алтайский край) – 3 Гкал/ч

2012 г. – ст. Абакумовка (Красноярский рай) – 2 Гкал/ч

2013 г. – ст. Магдагачи (Амурская область) – 6 Гкал/ч

Сравнение показателей старой котельной и КТУ

16

Эффективность КТУ-3.0 в сравнении со старой котельной

Старая котельная, ст. Артышта-2, 2007

КТУ-3.0, 2008

Утилизация иловых осадков сточных вод

17

1. Хранение на полигонах – являются источником загрязнения атмосферы и подземных вод, неэффективное использование земельного участка

2. Термическая обработка.

2.1. Пиролиз – подсушивание до 35% влажности, дополнительное топливо, вредные выбросы

2.2. Газификация - подсушивание, дополнительное топливо, вредные выбросы

2.3. Сжигание – печи разных конструкций - вращающихся барабанных, многоподовых, слоевых, кипящего слоя. Температура – 900-1300^оС, подсушивание, дополнительное топливо, выбросы, высокая материалоемкость

​

Компания Pyrofluid (Франция) – завод по сжиганию осадка 5 т/час по сухому веществу в г. Санкт-Петербург + система очистки газов от пыли.

Стоимость – 37 млн. €

​

2.3.1. Каталитическое сжигание в кипящем слое

(Разработка Института катализа СО РАН)

​

УТИЛИЗАЦИЯ ИЛОВЫХ ОСАДКОВ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ КАТАЛИЗАТОРА

18

• Автотермический режим сжигания (при влажности осадка ≤75%)
• Температура сжигания 640-750^оС
• Концентрации вредных веществ ниже ПДВ (CO, NO_x, диоксины)
• Расход катализатора не более 0.5% /сутки
• Степень выгорания осадка ~ 99%
• Образование золы 4 класса опасности
• Возможность создание установок различной производительности (0.5-4.5 тонн/час по сухому веществу)

​

Отсутствует необходимость использования сложной системы очистки газов от вредных выбросов

​

​

Принципиальная схема технологической цепочки процесса термокаталитического окисления иловых осадков сточных вод

19

1 – усреднительный бункер; 2- насос для подачи воды; 3 – реактор; 4 – организующая решетка; 5 – бункер с твердым топливом; 6 – воздухонагреватель; 7 – насос для подачи воздуха; 8 – теплообменник рекуператор; 9 – теплообменник экономайзер; 10 – рукавный фильтр; 11 – бункер с золой; 12 – мокрый скруббер; 13 – дымовая труба.

Мировой опыт в сжигании иловых осадков

20

Совместное или моносжигание (в слоевых котлах или в печах с кипящим слоем инертного материала)

Принцип: моносжигание (100% осадка, влажностью не более 25%) осадка или в смеси с топливом при доле осадка не более 20%

Температура процесса: 850 – 1000 °C

Распространенность: Германия, Финляндия, Дания, Польша, Великобритания, Нидерланды, Швейцария, Австрия, Франции, Италия, США

Стоимость установок: 20 – 100 млн €.

​

Примеры технологий:

• Veolia Pyrofluid, Франция
• Outotec SPI 30-50-100, Финляндия
• Tsukishima Kikai TSK FBI, Япония
• Degremont Thermylis, США
• Raschka FBI, Швейцария
• FMI Process Sun Sand, Франция
• Lentjes, Германия

​

Общие недостатки: большие габариты, высокие требования к материалам, дорогостоящие системы очистки газов, низкая производительность по осадку, высокая стоимость установок.

Завод по сжиганию осадков по технологии Degremont Thermylis, США

Утилизация иловых осадков в России

21

С 1997 по 2007 г. в Санкт-Петербурге введено в эксплуатацию три завода по сжиганию иловых осадков сточных вод.

Технология – сжигание в кипящем слое инертного материала (Pyrofluid, Франция).

Стоимость установки, производительностью 5 т/ч по сухому веществу - 37 млн. € (по ценам 2007 г.).

В России – единственный пример утилизации не посредством захоронения.

Основные недостатки:

• большие габариты печей
• большой расход дополнительного топлива
• повышенные требования к конструкционным материалам
• Необходимость использования дорогостоящей системы очистки газов

Завод по сжиганию осадка на Центральной станции аэрации, г. Санкт-Петербург

Завод по сжиганию осадка на Юго-Западных очистных сооружениях, г. Санкт-Петербург

Завод по сжиганию осадка на Северной станции аэрации, г. Санкт-Петербург

Текущий статус разработки

22

22

23

24

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Новосибирск, 2021

Катализ: сегодня

26

Нефте- и газопереработка

Переработка ПНГ на

месторождении

Глубокая гидроочистка дизельных и бензиновых фракций нефтепереработки

Получение топлив и ценных химических веществ из продуктов нефтепереработки

Катализ: сегодня

27

Автономная теплоэнергетика

Каталитические теплофикационные установки (КТУ)

Каталитические воздухонагреватели

Катализ: сегодня

28

Новые материалы

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ)

Углеродные нановолокна (УНВ)

Многослойные углеродные нанотрубки

Аэрогель диоксида кремния

Катализ: сегодня

29

Создание биотоплив

Получение биодизеля на гетерогенных катализаторах

Синтез высокоцетановых компонентов дизельных топлив

Получение топлива из БИО-НЕФТИ

30

Процесс

C₃H₈ = C₃H₆ + H₂

Катализатор: сферический оксид алюминия с нанесенными компонентами A, B и C

31

32

33

34