Снижение выбросов экологически вредных веществ в выхлопных газах ГТУ

1. Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

образования
«Тамбовский государственный технический университет»
Тема: «Снижение выбросов экологически вредных веществ
в выхлопных газах ГТУ»
Автор презентации: Корпусов Дмитрий Владимирович
Дисциплина: Парогазовые и газотурбинные энергетические установки
13.04.01. – Теплоэнергетика и теплотехника
Тамбов 2019

2.

Введение
2
Одной из важных современных задач является снижение эмиссии загрязняющих
веществ в атмосферу Земли.
Исследования последних лет показали, что спектр выбрасываемых в атмосферу
вредных веществ реактивными двигателями гораздо шире. Задача снижения выбросов
обусловлена не только развитием ГТУ во всем мире, но и растущими требованиями к
их характеристикам.

3.

Основные методы борьбы с вредными выбросами
газотурбинных установок
Рассмотрим основные методы борьбы с вредными выбросами газотурбинных
установок:
- разного рода реконструкции камер сгорания;
- усовершенствование газовой горелки;
- организацию самого процесса сгорания топлива в камерах;
- метод предварительного смешения определенной порции воздуха и топлива перед подачей их в камеру сгорания.
3

4.

Основные методы борьбы с вредными выбросами
газотурбинных установок
Многочисленные исследования процессов горения топлива в камерах сгорания показывают,
что основным направлением по снижению выбросов оксидов азота следует считать уменьшение
объема зон горения с максимальным уровнем температуры. Это связано, прежде всего, с
повышением качества процесса смесеобразования, организацией ступенчатого подвода топлива и
воздуха по длине камеры сгорания. Так, например, реконструкция камер сгорания за счет
изменения отверстий горелки, перераспределения воздушных потоков первичного воздуха,
использования так называемого «микрофакельного» горения, проведенные на ряде
компрессорных станций российских предприятий, позволили снизить содержание оксида азота в
выхлопных газах более чем в два раза. В последние годы предпринимаются попытки создать так
называемые двухзонные камеры для сгорания в них топлива. Применение двух стадийного
горения топлива в камерах сгорания позволяет снизить выход оксидов азота до 45 – 50% от
начального выхода при сжигании природного газа. Однако двухстадийное сжигание топлива
связано с разработкой достаточно сложной конструкции камеры сгорания, что не в полной мере
компенсируется снижением эмиссии оксида азота. В настоящее время наиболее простым и
относительно дешевым способом снижения выбросов оксидов азота с продуктами сгорания
следует считать способ, основанный на предварительном смешении топлива с воздухом
(обедненная смесь) до подачи компонентов в зону горения. Все чаще газотурбинные установки
совершенствуют именно таким методом.
4

5.

Основные методы борьбы с вредными выбросами
газотурбинных установок
5
К загрязняющим веществам, выбрасываемых с продуктами сгорания в
атмосферу, применительно к работе ГТУ следует отнести оксиды азота и
углерода. Мощность выбросов оксидов азота, которые наиболее существенно
влияют на окружающую среду и здоровье человека, для различных установок
весьма сильно отличается друг от друга. Концентрация оксидов азота в
регенеративных установках всегда выше, чем в установках без регенерации
тепла отходящих газов, что объясняется тем, что температура воздуха на входе
в камеру сгорания в них всегда выше, чем в установках без регенерации тепла
отходящих газов.

6.

Основные методы борьбы с вредными выбросами
газотурбинных установок
6
К методам снижения вредных выбросов с продуктами сгорания следует отнести:
впрыск воды или пара в камеру сгорания для снижения максимальной температуры
газов в зоне горения, использование химической очистки дымовых газов, модернизация
камер сгорания и их горелочных устройств и т.д.
К недостаткам реализации метода впрыска воды или пара следует отнести прежде
всего большой расход воды, а также необходимость в ее специальной предварительной
очистке от механических примесей и солей жесткости (кальция, магния). Примерный
суточный расход воды только на один агрегат может доходить до 50 – 60 м3/сут что
вызывает необходимость отказаться в условиях КС от этого метода снижения выбросов
NOx.
Впрыск пара в камеру сгорания в принципе может быть реализован в ряде случаев,
если на территории станции имеется котельная установка. Расчеты показывают, для
агрегатов мощностью примерно 19 МВт впрыск пара в количестве примерно 2,5% от
расхода первичного воздуха позволяет снизить выход оксидов азота примерно в два
раза.
За рубежом, методы впрыска воды или пара в камеру сгорания с целью снижения
выбросов оксидов азота используется иногда только на крупных электростанциях.

7.

Основные методы борьбы с вредными выбросами
газотурбинных установок
7
Применительно к использованию ГТУ на газопроводах, основными
направлениями борьбы с вредными выбросами с продуктами сгорания следует
считать разного рода реконструкцию камер сгорания ГТУ с горелочными
устройствами, организацию самого процесса сгорания топлива в камерах,
включая метод предварительного смешения определенной порции воздуха и
топлива перед подачей их в камеру сгорания и т.п.
Многочисленные исследования процессов горения топлива в камерах
сгорания ГТУ, проведенные различными авторами и организациями
показывают, что основным направлением по снижению выбросов оксидов
азота следует считать уменьшение объема зон горения с максимальным
уровнем температуры. Это связано прежде всего с повышением качества
процесса смесеобразования, обеднением рабочей смеси на участках
формирования фронта пламени, организацией ступенчатого подвода топлива и
воздуха по длине камеры сгорания.

8.

Методы химической очистки дымовых газов от оксидов
азота в ГТУ
8
1. Окислительные, основанные на окислении оксида азота в диоксид с
последующим его поглощением разного рода поглотителями;
2. Восстановительные, основанные на восстановлении оксида азота до азота и
кислорода с применением разного рода катализаторов;
3. Сорбционные, основанные на поглощении оксидов азота разного рода
сорбентами (например, адсорбция диоксида азота торфом, водными
растворами щелочей и т.п.).
Реконструкция камер сгорания на агрегатах типа ГТК-10 за счет установки
новых регистров и изменения отверстий в горелках, перераспределение
воздушных потоков первичного воздуха, использовании так называемого
«микрофакельного» горения, проведенные на ряде компрессорных станциях
предприятия «Мострансгаз» позволили снизить содержание NOx, в выхлопных
газах более чем в два раза. Термин «микрофакельное горение» подразумевает
организацию сжигания топлива посредством создания целой системы
многочисленных малых факелов в камере сгорания. Однако удорожание и
усложнение производства таких горелок для снижения выбросов оксидов азота
представляется не очень оправданным.

9.

Методы химической очистки дымовых газов от оксидов
азота в ГТУ
9
В последние годы делаются попытки создать так называемые двух зонные камеры для сгорания в
них топлива. Сущность этого метода заключается в том, что в первичную зону горения, воздух
подается в меньшем количестве, чем это теоретически необходимо для горения (a1 » 0,80 – 0,90), в
результате чего происходит снижение максимальной температуры горения в зоне факела,
снижение содержания кислорода в ядре факела и, как следствие, уменьшение скорости
образования оксидов азота.
Во вторую зону горения вводится уже избыточное количество воздуха (a > 2). Из-за разбавления
продуктов сгорания воздухом, последующее горение протекает также при более низкой
температуре, вследствие чего во вторичной зоне горения оксиды азота практически не образуются.
Применение двухстадийного горения топлива в камерах сгорания ГТУ позволяет снизить выход
оксидов азота до 45 – 50% от начального выхода при сжигании природного газа. Однако
двухстадийное сжигание топлива связано с разработкой достаточно сложной конструкции камеры
сгорания, что не в полной мере компенсируется снижением эмиссии NOx.
В настоящее время наиболее простым и относительно дешевым способом снижения выбросов
оксидов азота с продуктами сгорания следует считать способ, основанный на предварительном
смешении топлива с воздухом (обедненная смесь) до подачи компонентов в зону горения. Иначе
говоря, качество предварительной подготовки топливо воздушной смеси является основным
направлением по снижению образования NOx при сжигании природного газа в камерах сгорания
ГТУ. Этот вывод подтверждается результатами многочисленных исследований режимов работы
ГТУ на магистральных газопроводах.

10.

Использование каталитической очистки выходных газов
ГТУ
10
Процесс селективного каталитического восстановления (СКВ) DENOX
является наиболее широко применяемой технологией восстановления оксидов
азота NOx в выходных газах ГТУ. Он представляет собой метод
преобразования оксидов азота в выходных газах ГТУ в молекулярный азот,
воду и кислород за счет химической реакции этих оксидов с аммиаком в
присутствии катализатора. В качестве примера приведена схема установки,
разработанной датской фирмой «Хальдер Топсе АО» (рис. 1). Восстановление
оксидов азота происходит при впрыске восстанавливающего агента – водного
раствора аммиака в выходные газы ГТУ при температуре 570 – 700 К и при
следующем проходе смеси аммиак – выходные газы через катализатор. При
наличии катализатора оксиды азота превращаются в азот и водяной пар.

11.

Использование каталитической очистки выходных газов
ГТУ
11
Рисунок 1 – Схема установки СКВ DENOX (фирмы «Хальдер Топсе») для
селективного каталитического восстановления оксидов азота NOx
1 – инжекторная решетка с соплами для подачи разбавленных паров водного
раствора аммиака в поток выходных газов ГТУ; 2 – испаритель водного раствора
аммиака; 3 – газодувка на байпасе выходных газов ГТУ; 4 – смеситель паров водного
раствора аммиака с выходными газами байпасного потока; 5 – байпасный поток
газов; 6 – клапан контроля водного раствора аммиака; 7 – насос подачи водного
раствора аммиака с регулятором постоянного давления в коллекторе; 8 – бак
хранения водного раствора аммиака; 9 – расходометр; 10 – катализатор.

12.

Использование каталитической очистки выходных газов
ГТУ
12
Таким образом, конверсия оксидов азота не создает вторичного
загрязнения. Катализатор СКВ – это рифленая монолитная пластина на
волокнистом носителе. Он изготавливается в виде элементов, заключенных в
стальные пластины размером 466 466 572 мм. В качестве каталитически
активных материалов использованы оксиды металлов (например, пентоксид
ванадия), это позволяет связывать до 90% оксидов азота. Одним важным
недостатками этого метода снижения NOx является большая стоимость не
только всей установки в целом, но и высокая стоимость пластинкатализаторов, а также затраты связанные с организацией хранения и
доставкой аммиака к установке.

13.

Способ уменьшения вредных выбросов из газотурбинной
установки с регенерацией тепла
13
На рисунке 2 приведена схема газотурбинной установки, реализующая способ уменьшения
вредных выбросов из газотурбинной установки с регенерацией тепла:
Рисунок 2 – Схема газотурбинной установки
Схема содержит компрессор 12, состоящий из ступеней сжатия 1 и смесительных камер 2, в
которых происходит изобарное охлаждение воздуха за счет испарения распыленной воды, ступени
расширения газовых турбин 3, 5, 7, рекуперативный регенератор тепла 9, регулирующие расход
задвижки 11 и электрогенератор 10, кинематически связанный со ступенями газовых турбин и
компрессора.

14.

Способ уменьшения вредных выбросов из газотурбинной
установки с регенерацией тепла
14
Способ осуществляют следующим образом. С помощью компрессора 12 сжимают
смесь воды с воздухом. Распыленную с помощью форсунок воду подают в
смесительные камеры 2, далее сжатую смесь подают в регенератор 9, после
регенератора – в камеры сгорания 3, 5, 7. В камеры сгорания 3 и 5, кроме смеси воды с
воздухом подают топливо. С помощью регулирующей аппаратуры 11 в камерах
сгорания 3 и 5, в соответствии с содержанием паров воды и температурой стенок
газодинамического тракта, поддерживают допустимый коэффициент избытка
окислителя меньше 1, исключая сажеобразование. В камерах сгорания 3 и 5,
поддерживается максимально допустимая температура. После расширения в ступенях
газовых турбин 4 и 6, продукты неполного сгорания поступают в камеру сгорания 7, где
также с помощью регулирующей аппаратуры 11 поддерживают температуру горения в
пределах 1500 – 1100 К, ниже чем в камерах сгорания 3 и 5, и коэффициент избытка
окислителя равный стехиометрическому или больше стехиометрического, осуществляя
каталитическое дожигание топлива. Из ступени газовой турбины 8 продукты сгорания
поступают в регенератор, где нагревают сжатую смесь воды и воздуха, и затем
охлажденные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Вся полученная работа
расширения преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератора 10.

15.

Заключение
15
Вопрос снижения выбросов экологически вредных веществ в выхлопных
газах ГТУ является на сегодняшний день актуальным в связи с широким
применением
таких
энергетических
установок.
Актуальность
фундаментальных исследований в области малоэмиссинного горения
обусловлена необходимостью прогнозирования и качественного снижения
уровня выбросов веществ, загрязняющих атмосферу.

16.

Спасибо за внимание
Контактная информация:
Россия, 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106
Тамбовский государственный технический университет
Кафедра – Энергообеспечение предприятий и теплотехника
Тел.: 8 (4752) 68 04 48
e-mail: [email protected]