Выбросы загрязняющих веществ с продуктами сгорания и методы их снижения

К загрязняющим веществам, выбрасываемых с продуктами сгорания в атмосферу, применительно к работе ГТУ, как отмечалось выше, прежде всего следует отнести оксиды азота и углерода. Для номинального режима работы эксплуатируемых газотурбинных установок численные значения этих выбросов характеризуются данными табл. 4.1. [20].

Номинальный режим работы газотурбинной установки характеризуется следующими показателями: температура наружного воздуха + 15 ⁰С, давление наружного воздуха – 0,1013 МПа, относительная влажность воздуха – 60%, мощность на валу нагнетателя – 100%.

Анализ данных табл. 4.1 показывает, что 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. Так в установке типа ГТК-10 до модернизации камеры сгорания, концентрация NO_x достигала величины порядка 350 мг/нм³ (табл. 4.1)

Согласно ГОСТу, концентрация оксидов азота при работе на природном газе не должна превышать 150 мг/нм³, оксидов углерода - 100 мг/нм³ . Следует отметить, что лучшие образцы газотурбинных установок в части охраны окружающей среды имеют выбросы оксидов азота на уровне 70-100 мг/нм³.

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. [15, 18].

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 NO_x.

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. Однако нигде эти методы на компрессорных станциях не используются.

Таблица 4.1

Показатели выбросов оксидов азота и углерода с продуктами сгорания для ряда газотурбинных установок, эксплуатируемых на газопроводах

За рубежом, методы впрыска воды или пара в камеру сгорания с целью снижения выбросов оксидов азота используется иногда только на крупных электростанциях.

Существующие методы химической очистки дымовых газов от оксидов азота условно в принципе можно разделить на три группы [18].

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.).

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.

Так, например, 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 NO_x, 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

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 NO_x.

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 NO_x при сжигании природного газа в камерах сгорания ГТУ. Этот вывод подтверждается результатами многочисленных исследований режимов работы ГТУ на магистральных газопроводах.

5 Контрольные вопросы

1 Опишите принцип работы камеры сгорания ГТУ.

2 Назовите типы камер сгорания ГТУ.

3 Составьте материальный и тепловой баланс камер сгорания.

4 Назовите условия образования вредных выбросов при сжигании топлива в камерах сгорания ГТУ.

5 Назовите методы снижения выбросов загрязняющих веществ.

6 Сделайте анализ таблицы 4.1 - Показатели выбросов оксидов азота и углерода с продуктами сгорания для ряда газотурбинных установок, эксплуатируемых на газопроводах.

Список рекомендуемой литературы

1 Поршаков Б.П. Газотурбинные установки на газопроводах, 2003 г.

2 Уваров В.В. Газовые турбины и газотурбинные установки, 1970 г.