CC BY
580
Машиностроение U компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278
УДК 621.431.75 Методы уменьшения эмиссии вредных веществ в камерах сгорания ГТД и ГТУ
Комаров Е.М.1' ' egomikomaroY@maÜJU
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 05. С. 9-29.
Б01: 10.24108/0518.0001394
Представлена в редакцию: 30.04.2018
© НП «НЭИКОН»
В настоящее время все авиационные двигатели гражданской авиации должны соответствовать стандартам ИКАО, в которых содержатся нормы, ограничивающие эмиссию окиси углерода (СО), окислов азота ^Ох), несгоревших углеводородов (НС) и дыма
В работе проведено обобщение опыта создания технологий малоэмиссионного горения в камерах сгорания газотурбинных двигателей (ГТД), показаны схемы и конструкции камер сгорания, позволяющие удовлетворять требованиям ИКАО по экологическим характеристикам авиационных двигателей.
В статье рассмотрены основные механизмы образования вредных веществ и современные методы снижения их эмиссии, такие как: применение сжигания обедненной топливной смеси; каталитическое сжигание топливно-воздушной смеси; применение «мокрых» камер сгорания с диффузионным факелом и впрыском воды (пара); дополнительное использование каталитической очистки выходных газов ГТУ. В работе также отмечены преимущества, недостатки и проблемы, связанные с организацией данных методов снижения эмиссии.
Ключевые слова: оксиды азота, малоэмиссионная камера сгорания, газовая смесь, атмосферное загрязнение, анализ, газотурбинный двигатель
Введение
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, чем установлено рамками ИКАО. Задача снижения выбросов обусловлена не только развитием авиационных двигателей во всем мире, но и растущими требованиями к экологическим характеристикам авиационных двигателей. Актуальность фундаментальных исследований в области мало-эмиссинного горения обусловлена необходимостью прогнозирования и качественного снижения уровня выбросов веществ, загрязняющих атмосферу.
Камера сгорания (КС), как один из основных узлов ГТД, играет существенную роль в обеспечении его экологических характеристик. Поэтому понимание механизмов образования вредных веществ и возможность прогнозирования их эмиссии на количественном уровне при изменении параметров рабочего процесса двигателя и внешних условий являются одними из ключевых вопросов обеспечения норм ИКАО. Решение этих вопросов позволяет оценить эмиссионные характеристики на этапе проектирования двигателей и разрабатывать эффективные методы предотвращения образования вредных веществ, а также повысить эффективность сжигания топлив.
Уровень выбросов вредных веществ сильно зависит от типа двигателя, его совершенства, размеров и от реального состава используемого топлива. Требования ИКАО к экологическим характеристикам авиационных двигателей возрастают с каждым годом [1, 2]. Так, с момента введения первых ограничения (САЕР/1) авиационного комитета по защите окружающей среды (1986 год), в них уже несколько раз вносились изменения. С первого января 2014 года вступил в силу стандарт (САЕР/8) [3], которому на смену уже готовы более жесткие требования по снижению выбросов NOx (к 2020 году на 40% по сравнению с (САЕР/2)). Аналогичная тенденция и по остальным загрязняющим веществам (СО, НС, SN).
1. Основные механизмы образования вредных веществ в КС ГТД и ГТУ
Основные трудности при создании камер сгорания с низким выбросом вредных веществ, связаны с тем обстоятельством, что для снижения выхода СО и NOx необходимо проведение взаимно противоположных мероприятий. Рациональная конструкция камеры сгорания должна представлять собой некоторый компромисс между требованиями, вытекающими из задачи уменьшения эмиссии этих двух групп загрязняющих компонентов. Это может быть обеспечено за счет совершенствования рабочего процесса первичной зо-ны[4], зон выгорания и смешения [5], рационального выбора объема жаровой трубы и времени пребывания в камере сгорания [6]. Принцип действия всех малоэмиссионных КС основан на поддержании температуры в зоне (зонах) горения в достаточно узком интервале на всех эксплуатационных режимах двигателя (рис. 1).
Для снижения эмиссии вредных веществ необходима разработка камер сгорания сложной конструкции с увеличением числа зон горения, каждая из которых оптимизируется на определенный режим работы. При этом, для обеспечения перспективных норм на эмиссию вредных веществ, необходимо создание КС, которые бы позволили одновременно снизить все виды вредных компонентов.
Для более четкого представления о возможных путях снижения эмиссии вредных веществ КС ГТД, необходимо учитывать основные механизмы их образования.
Рис. 1. Диапазон температур с малыми выбросами СО (р.р.т) и NOx (р.р.т), (р.р.т - единица концентрации
в милионных долях) [4]
Окись углерода (СО) образуется вследствие:
1) неполного сгорания топлива в сильно обедненных топливовоздушных смесях (ТВС);
2) наличия холодного пристеночного слоя в традиционной схеме заградительного охлаждения стенок жаровой трубы;
3) нехватки кислорода при горении богатых смесей (а < 1,0) (здесь & = Ов в (От -Ь0) -коэффициент избытка воздуха, где 0в и 0т - расходы воздуха и топлива соответственно, LQ - стехиометрический коэффициент);
4) диссоциации С02 при высоких температурах.
В первых двух случаях можно обеспечить эффективное снижение СО при условии правильной организации рабочего процесса в КС с доокислением СО в послепламенных зонах и использованием нетрадиционных систем охлаждения. Окисление СО идет относительно медленно, что является фактором, определяющим выбор времени пребывания (объема камеры), необходимого для завершения реакций.
Основные методы снижения выброса СО основаны на представлениях о физико-химических закономерностях его образования:
1. обеспечение состава смеси в зоне горения ближе к а = 1,1...1,3;
2. увеличение объема зоны горения и времени пребывания в ней [8].
Перечисленные методы снижения выбросов СО трудно реализовать в малоэмиссионных камерах сгорания, т.к. они ведут к резкому увеличению образования NOx. Установлено, что только в очень узком диапазоне температур (температура пламени Тпл=1650.. .1900 К) можно одновременно добиться требуемых уровней выбросов NOx и ТО.
При моделировании выбросов СО в детальные кинетические механизмы обязательными к включению являются реакции вида:
С + О ^ СО СН + ОН ^ СО + Н 2 СН + О ^ СО + Н НСО + М ^ СО + Н + М НСО + О ^ СО + ОН НСО + Н ^ СО + Н 2
Приведенные реакции показывают, что образование СО происходит за счет взаимодействия радикалов, которые содержаться в большом количестве во фронте пламени, а, следовательно, избежать их образования невозможно. Снижение выбросов СО осуществимо лишь в послепламенной зоне за счет мероприятий, рассмотренных выше.
Оксиды азота (N0^ образуются в результате окисления азота, находящегося в атмосферном воздухе и в топливе. Легкие дистиллятные топлива содержат небольшие количества органического азота (менее 0,06 %), в то время как тяжелые продукты перегонки могут содержать до 1,8 %. В последнем случае доля N0 из топлива может составлять значительную часть в общем выбросе оксида азота [3, 9].
Процесс образования оксида азота эндотермичен и идет с заметной скоростью при температурах выше 1800 К, поэтому N0 образуется только в горячих зонах и достигает максимальной концентрации на режиме наибольшей тяги. Окисление N0 до N02 происходит при снижении температуры газа. Практический диапазон температуры газа, при которой образуется двуокись азота, составляет от 400 до 900 К. На режимах большой тяги доля N02 в окислах азота N0x очень мала, но на режиме малого газа она может достигать 50 %.
Установлено, что выброс N0x экспоненциально возрастает с повышением температуры пламени и линейно возрастает с повышением времени пребывания продуктов сгорания в высокотемпературных зонах. На рис. 2 представлено сравнение двух зависимостей образования оксидов азота от температуры газов и времени пребывания в камере сгорания ГТД при давлении газовой смеси Р = 5 бар. В первом случае - низкоэмиссионная камера сгорания 1 (НКС 1) - время пребывания составляет т = 26 мс, во втором - НКС 2 - т = 86 мс. Т.е., снижая время пребывания газа в камере сгорания, мы существенно понижаем выделение термических оксидов азота, особенно при Тг > 1600 ^ Изменение давления от 0,5 до 3 Мпа практически не влияет на уровень выброса N0x.
Рис. 2. Влияние времени пребывания газа в камере на эмиссию N0x (ррт - число частей на миллион по
объему) [9]
При моделировании используют следующие основные механизмы образования оксидов азота [10]:
1. Термический механизм, который включает окисление N2 кислородом по цепи механизма Зельдовича и взаимодействия атомов N с радикалами ОН.
N + 0 ^ N0 + N N + О ^ N0 + О N + ОН ^ N0 + Н
2. К20 - механизм. Этот механизм определяется группой реакций, в которых ^О выступает как промежуточное вещество при образовании N0.
N0 + СО ^ N00 + N0 N0 + Н ^ N0 + NH N0 + 0 ^ N0 + N0
3. N02 - механизм, приводящий к образованию N0 через следующие реакции.
NO + CO ^ NCO + NO NO + OH ^ HO + NO NO + H ^ OH + NO NO + O ^ O + NO NO + M ^ O + NO + M
4. Механизм Фенимора (NO механизм). «Быстрые» оксиды азота образуются при горении топлива во фронте пламени в результате взаимодействия N2 с радикалами СН и СН2, появляющимися при разрушении сложных молекул углеводородного горючего.
N 2 + CH ^ HCN + N N + CH2 ^ HCN + NH CH + NO ^ HCN + O CH 2 + NO ^ OH + HCN
5. Недавно, было продемонстрировано, что реакции с веществами группы NxHy (например, N-N-H) и HNO могут также давать вклад в образование NOx. Другими N-содержащими веществами, которые могут генерироваться при горении углеводородов с воздухом, являются HNO2, HNO3, HNO, элементы групп NxHy и HCN. Процессы, приводящие к образованию этих веществ, на сегодняшний день исследованы достаточно слабо. [11]
Для конкретного топлива скорость образования оксидов азота можно представить в виде функции избытка воздуха (рис. 3). Как следует из рисунка, наивысшая скорость образования оксидов азота имеет место при стехиометрической температуре пламени. Ввиду того что разные виды сжигаемого топлива характеризуются разной максимальной температурой пламени, следует ожидать существенных различий в выходе оксидов азота, что и наблюдается на практике. Скорость образования оксидов азота уменьшается по мере
обеднения топливной смести (а>1) в зоне пламени, т.е. по мере уменьшения его температуры [7].
Рис. 3. Зависимость скорости образования оксидов азота VNox и температуры пламени от коэффициента эквивалентности Кэ = 1/а для жидкого топлива при предварительном нагреве воздуха до 650 К,
а - коэффициент избытка воздуха. [7]
Вклад различных кинетических механизмов в образование NOx показан на рис. 4. По данному рисунку видно, что наибольший вклад в образование оксидов азота вносит термический механизм Зельдовича, в то время как «быстрый» и «^О» механизмы оказывают заметное влияние только при Т < 1700 ^
N0,
Л
3 —1 2
\ 1
— - — ■ — . _
1 2 i
2300 ;2Ю0 1ЭС0 1700 1500 Тп К
Рис. 4. Вклад термического механизма - 1, N2O механизма - 3 и «быстрого» механизма - 2 в образование NOx при изменении состава(а^аг) и температуры газа (хпр < 40мс=сошЩ9]
Таким образом, современные детальные кинетические схемы, используемые для расчета эмиссии от камеры сгорания N-содержащих компонентов должны включать перечисленные механизмы образования этих веществ, которые в дальнейшем могут редуцироваться и использоваться при расчетах в CAE-системах с достаточной для практических целей точностью.
2. Реализация снижения выбросов оксидов азота
Для снижения уровня эмиссии NOx используются следующие подходы:
- реализация процесса горения жидкого топлива на малой длине жаровой трубы (ЖТ) с временем пребывания в зоне высоких температур (более 1920 К) 5...6 миллисекунд и затем интенсивное охлаждение в зоне смешения, то есть используется принцип «быстро сжечь и быстро охладить»;
- горение топлива при температуре 1750±50 К (то есть ниже 1920 К), с формированием эпюры температур на выходе за счёт подвода воздуха в зоне смешения или из зоны фронтового устройства с исключением охлаждения продуктов сгорания.
Результаты анализа общего объёма разработок в направлении уменьшения выбросов вредных веществ, позволяют выделить следующие типовые технологии сжигания топлива в КС ГТД, удовлетворяющие существующим экологическим требованиям:
1) применение сжигания обедненной, предварительно перемешанной топливной смеси в «сухих» КС. (К данной технологии относят следующие схемы: схема RQL, горение обогащенной смеси с последующим быстрым подмешиванием воздуха и догоранием обедненной смеси (Rich Quench Lean, англ. богатый охлажденный бед-
ный); схема LPP, горение обедненной предварительно смешенной и испаренной смеси (Lean Premixed Prevaporized, англ. бедный предварительно перемешанный и испаренный); схема LDI, горение с впрыском обедненной смеси непосредственно в зону горения (Lean Direct Injection, англ. бедный непосредственный впрыск));
2) каталитическое сжигание топливно-воздушной смеси;
3) применение «мокрых» КС с диффузионным факелом и впрыском воды (пара);
4) дополнительное использование каталитической очистки выходных газов ГТУ.
2.1 Сжигание обедненной топливной смеси в «сухих» КС
На сегодняшний день, этот способ является основным и перспективным методом снижения выбросов термических оксидов азота. Поскольку главным фактором, влияющим на образование NOx, является температура горения, то для уменьшения выбросов в первую очередь необходимо снизить температуру пламени, затем исключить локальные горячие области в зоне реакции, поскольку недостаточно достигнуть приемлемого снижения средней температуры, если останутся локальные области высокой температуры, в которой скорость образования NOx будет велика. Гомогенизация горения, т.е. улучшение равномерности перемешивания топлива и воздуха до горения сделала бы более равномерной температуру в зоне горения.
Данный подход предусматривает полное испарение жидкого топлива и мелкомасштабное перемешивание газообразного топлива с воздухом до начала горения.
2.1.1 Схема горения RQL
Процесс горения этой схемы осуществляется в трёх последовательных стадиях (рис.5). Вначале формируется горение богатой топливовоздушной смеси при а = 0,5.. .0,7, при отсутствии свободного кислорода, затем следует стадия резкого смешения продуктов неполного сгорания топлива в «богатой» зоне (СО, СО2, Н2, Н2О) с большим количеством (~ 70 %) холодного воздуха. Одновременно происходит их охлаждение. В ней осуществляется быстрый (т = 1.2 мс) переход через стехиометрию из богатой топливовоздушной смеси (а = 0,5.0,7) в «бедную» (а > 2,4). Последняя стадия - горение бедной смеси (СО, Н2) + (О2, N2). Эмиссия NOx на выходе из камеры сгорания есть сумма различных концентраций NOx, образующихся в каждой зоне горения. Наибольшая концентрация NOx образуется в зоне резкого разбавления. Задача получения низкого уровня концентрации NOx при схеме RQL состоит в обеспечении закона выгорания диффузионного факела по длине жаровой трубы с температурой пламени, не превышающей температуры окисления азота (~ 1800 К) [11].
Камеры сгорания с технологией RQL имеют преимущество перед КС, реализующими сжигание бедной ТВС - широкий диапазон устойчивой работы, отсутствие пульсаци-онного горения при простой одноконтурной системе подачи топлива.
мт Мв]-1 я,
и2
3
Рис.5. КС по схеме горения богатой смеси (Мт-подача топлива, Мв1 -подача воздуха для богатой зоны горения, Мв2 - подача воздуха для бедной зоны горения): 1 - зона богатого горения; 2 - подача воздуха;
3 - зона бедного горения [11]
Основной недостаток данной схемы - сложность обеспечения быстрого и качественного перемешивания газового потока на промежуточном этапе (Quick-Mix) с тем, чтобы не допустить формирования смеси стехиометрического состава.
Горение обедненной предварительно смешанной смеси и испаренной смеси воплощено в конструкции двухзонной КС (рис. 6). Её конструкция имеет наибольший потенциал в уменьшении выбросов NOx по сравнению с другими конструкциями. Основная зона (ОЗ) на режимах больших тяг обеспечивает малые выбросы NOx за счёт бедного состава смеси (а ~ 1,8), при котором температура пламени поддерживается на низком уровне (1800 ... 1900 К). Дежурная зона (ДЗ) предназначена для обеспечения низкого уровня выбросов СО на режимах малого газа. При запуске и работе на низких режимах, топливо подается на форсунки дежурной зоны. При этом скорости воздуха в этой зоне небольшие и состав смеси близок к стехиометрии. Дежурная зона обеспечивает дежурное пламя для основной зоны. Из-за возможности проскока пламени и самовоспламенения, а также из-за сложности обеспечения устойчивого бессрывного процесса горения на переходных режимах работы двигателя, осуществление способа разделения топлива по схеме LPP в конструкции КС обычно ограничивают. [11]
2.1.2 Схема горения LPP
3 4
М
Рис.6. Двухзонная камера сгорания (LPP)[11]: 1-основная зона;2-зона смешения;3-дежурная зона
2.1.3 Схема горения LDI
Горение с подачей обедненной смеси непосредственно в зону горения реализуется на основе традиционной конструкции КС, поэтому около 70% воздушных масс потока отбирается для подготовки бедной топливовоздушной смеси. Данная схема (рис.7) использует двухстадийную подачу топлива. Стадийность подачи топлива осуществляется посредством концентрически расположенных форсунок (главная ступень), обдуваемых большим колличеством воздуха, и вложенную в центр дежурную форсунку. Основные форсунки работают с обедненной смесью, а дежурная с богатой, что необходимо для работы двигателя на малой тяге и стабилизации горения главной ступени. [11]
Сопло Вентури Торцевая крышка
Рис.7. Камера сгорания по схеме LDI[11]
Исключая горение капель и создавая в первичной зоне гомогенную бедную смесь, удается обеспечить низкую температуру реакции, устранить в зоне горения локальные горячие области и, таким образом, значительно уменьшить выброс N0^
Недостатком концепции сжигания бедной смеси является то, что при высоких степенях повышения давления возможно самовоспламенение смеси при высоких температурах воздуха на входе в камеру. Также в таких камерах сгорания может возникнуть проскок пламени из камеры сгорания в зону перемешивания [4].
2.2 Каталитическое сжигание топливовоздушной смеси
Схема горения в каталитической КС (рис.8) основана на принципе использования катализаторов, которые снижают температуру воспламенения топлива и вводятся в конструкцию жаровой трубы для того, чтобы сжигать топливо при Тпл = 1200...1500 К и получить снижение выбросов NOx на порядок и более по сравнению с современными малотоксичными камерами (менее 5ррт). Жаровая труба имеет зону подготовки ТВС, зону каталитического горения и зону дожигания на выходе [5].
1
I
Рис.8. Каталитическая КС[11]: 1 - топливная форсунка; 2 - зона предварительного смешения;
3 - катализатор; 4 - зона горения за катализатором; 5 - впрыск топлива за катализатором.
Промышленное применение ГТУ с каталитическими камерами сгорания началось в начале 2000. Известной ГТУ с каталитической системой ХОКОК является Кавасаки М1А-13Х [12].
К недостаткам данной технологии можно отнести: ограниченный ресурс работы каталитических материалов; высокая цена; необходимость пред-горелок для обеспечения окисления на катализаторе; низкая маневренность при изменении нагрузок; сложность конструкций.
2.3 Применение «мокрых» КС с диффузионным факелом и впрыском воды (пара)
При доработке авиационного ГТД с целью применения его в качестве привода, работающего на газообразном топливе, выполняется ряд обязательных операций: замена жидко-топливной системы на газовую и доработка КС с целью снижения вредных выбросов окислов азота. Мокрые камеры сгорания нашли свое применение, в основном, в комбинированных газотурбинных установках. Одной из таких установок является ПГУ - 60С (рис. 9), с впрыском пара в КС производства АО «НПЦ газотурбостроения «САЛЮТ». Данная установка предназначена для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии путем утилизации тепла выхлопных газов. ГТД создан на базе газогенератора серийного авиационного двигателя АЛ-21Ф (рис. 10).
Рис.9 Принципиальная схема установки ПГУ-60С[13]
Рис.10. ГТД энергоблока ПГУ - 60С [13]
Установка предназначена для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии путем утилизации тепла выхлопных газов, работая на природном газе, может обеспечить горячее водоснабжение жилого поселка, вырабатывать пар для технологических нужд производства. Благодаря конструктивным особенностям, ПГУ-60С имеет низкий уровень шума и вредных выбросов, что делает ее использование в районах с повышенными требованиями к экологии. В КС установки подается топливо и пар, сгенерированный теплом уходящих газов в котле утилизаторе. Парогазовая смесь направляется в
парогазовую турбину. После турбины парогазовая смесь поступает в котел и затем в контактный газоохладитель. В газоохладителе парогазовая смесь охлаждается до температуры конденсации пара. Теплая вода из газоохладителя подается в теплонасосную установку (ТНУ), где отдает свое тепло сетевой воде теплофикации. Дополнительно сетевая вода после ТНУ подогревает парогазовую смесь в сетевом подогревателе котла. Такая тепловая схема ПГУ с ТНУ обеспечивает реализацию в ней коэффициента использования топлива свыше 95%. Конструкция КС предусматривает, что в нее подается не только «экологический», но и «энергетический» пар, который обеспечит значительное увеличение мощности турбины, при заданном расходе воздуха компрессора ГТД. В такой установке проводится утилизация тепла отходящих газов, что повышает КПД и дает возможность когенераци-онной выработки тепловой и электроэнергии. [13]
В установках данного типа существует несколько способов подачи воды в КС. Вода может подаваться в зону горения различными способами: а) с помощью специальной струйной форсунки; б) через один из каналов двухканальной центробежной топливной форсунки; в) через общую форсунку. Исследования полноты сгорания топлива при указанных способах подачи воды в зону горения показали, что наиболее эффективным, с точки зрения обеспечения высоких полнот сгорания, является третий способ - подача водно-топливной эмульсии. Исследования показали, что в некоторых режимах работы камеры (ак>3,0) подача воды в зону горения в соотношении 1/1 даже способствует улучшению процесса горения, в результате чего полнота сгорания несколько повышается. [14]
Этот факт можно объяснить тем, что процесс испарения воды интенсифицирует перемешивание. Однако одновременно с этим снижается температура в зоне горения на величину, пропорциональную теплоотводу на нагрев и испарение подаваемой воды. Из приведённых на рис. 11 графиков следует, что температура газа в КС может существенно снизиться, так как теплоёмкость водяного пара почти в два раза превышает теплоёмкость воздуха.
Л
1900 I 700 1500 1300
0 10 20 30 40 50 Влажность эмульсии %
Рис. 11. Зависимость теоретической температуры горения эмульсий мазута М-60 от влажности при различных коэффициентах избытка воздуха (температура воздуха t = 600 К): 1 - а =1,00; 2 - ак =1,05;
3 - а =1,1; 4 - а =1,2; 5 - а =1,5[14]
В результате такого снижения температуры газа в зоне горения получено существенное уменьшение выброса NOx в КС при разных соотношениях подачи воды и топлива. Во всем диапазоне изменения а впрыск воды снижает выход NOx примерно в 2-3 раза. В то же время выброс других токсичных компонентов, таких, как CO и СхНу, по-разному зависит от впрыска воды в зону горения.
Переохлаждение зоны горения в результате впрыска воды приводит к торможению химической реакции и вследствие этого к увеличению выброса CO. С другой стороны, впрыск воды может несколько улучшить смесеобразование и соответственно ускорить процесс горения, что способствует уменьшению CO. Таким образом, существует достаточно эффективный способ уменьшения выброса NOx - впрыск воды или пара в зону горения
Такой эффективный способ уменьшения выбросов термических оксидов азота имеет и свои значительные недостатки. Зачастую, воду (пар) не удается полностью очистить от содержащихся в ней солей. В результате, при работе турбины в таких условиях, начинается рост солевых отложений (накипи) на всем лопаточном аппарате турбины, что существенно снижает ее КПД, а также сокращает ресурс всей установки. При отрыве таких отложений с рабочих или сопловых лопаток, лопатки могут быть повреждены, что приведет, соответственно, к выходу из строя всего агрегата. Ремонт потребует очень много финансовых вложений и времени на выполнение ремонтных работ, что является недопустимым для работы ТЭЦ. Поэтому зачастую к применению данного способа снижения термических оксидов азота не прибегают. [14]
2.4 Использование каталитической очистки выходных газов ГТУ
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. 12).
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 [7]:
4NO + 4NH3 + O2 ^ 4N + 6H2O 6NO + 8NH3 ^ 7N2 + 12H2O
Таким образом, конверсия оксидов азота не создает вторичного загрязнения. Катализатор СКВ - это рифленая монолитная пластина на волокнистом носителе, усиленном TiO2. Он изготавливается в виде элементов, заключенных в стальные пластины размером
466 х 466 х 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 пластин-катализаторов, а также затраты связанные с организацией хранения и доставкой аммиака к установке.
Рис. 12. Схема установки СКВ DENOX (фирмы «Хальдер Топсе») для селективного каталитического восстановления оксидов азота N0^ [7] 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
В 2002-2003 г. Хальдор Топса АО поставила данный технологический процесс для двух электростанций Harrison и Pleasants компании Alleghenny Energy, США, которые были введены в эксплуатацию на котлах мощностью 675 МВт эл. В процессе работы по первой установке на ТЭС Harrison приходилось решать дополнительные вопросы, связанные с плотной компоновкой оборудования и затрудненностью доступа к установке. Результатом явилась установка, при проектировании которой были применены инновационные технологии и изобретения. Однородное перемешивание аммиака с дымовым газом и равномерное распределение частиц золы достигались применением вихревых смесителей. Технология ДЕНОКС фирмы Топсе применяется на тепловых электростанциях, в промышленных бойлерах, газовых турбинах, дизельных двигателях и для очистки отходящих газов химических заводов. [15]
Заключение
В настоящее время ведется разработка камер сгорания на природном газе с уровнем эмиссии NOx и СО <10ppm, что является почти минимально достижимым уровнем для
рассматриваемых условий работы. Основной задачей при создании таких камер сгорания является развитие и совершенствование методов расчета кинетики горения газовой смеси, совершенствование программных комплексов для расчета и получения достоверных данных по эмиссии вредных веществ, а также развитие экспериментальных методов создания и доводки низкоэмиссионных камер сгорания стационарных установок и перспективных авиационных двигателей. Представленные в работе методы уменьшения эмиссии вредных веществ - совершенствование способов подачи топлива, зонная организация горения, использование катализаторов в КС и на выходе из установки - при их использовании должны привести не только к снижению выбросов, но и к улучшению других важных характеристик КС, прежде всего к расширению пределов устойчивого горения. Исследования с целью получения ультранизких уровней выбросов на основе концепции сжигания в КС бедной гомогенной смеси находятся на ранней стадии. Необходимо решить ряд важных проблем, таких как: проблема «бедного» срыва пламени, проскока пламени, а также обеспечения достаточной степени испарения топлива и смешения его с воздухом.
Список литературы
гН
1. Environmental protection / Intern. civil aviation organization. 3rd ed. Vol. 2: Aircraft engine emissions: Annex 16 to the Convention on Intern. civil aviation. Montreal: ICAO, 2008. 108 p.
2. Волков С.А., Горбатко А.А. Анализ существующих и планируемых зарубежных требований к двигателям гражданской авиации по ограничению выбросов вредных веществ // Экологические проблемы авиации. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2010. С. 234-246.
3. Committee on aviation environmental protection (CAEP). 8th meeting (Montreal, Canada, Febr. 1-12, 2010): Review of technical proposals relating to aircraft engine emissions. Montreal: ICAO, 2010. 83 p. Режим доступа:
http://web.mit.edu/aeroastro/partner/reports/caep8/caep8-nox-cost-ben.pdf (дата обращения: 03.04.2018).
4. Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД: пер. с англ. М.: Мир, 1986. 566 с. [Lefebvre A. Gas turbine combustion. Wash.: Hemisphere Publ. Co., 1983. 531 p.].
5. Иноземцев А.А., Сандрацкий В.Л. Газотурбинные двигатели. Пермь: ОАО "Авиадвигатель, 2006. 1204 с.
6. Пчелкин Ю.М. Камеры сгорания газотурбинных двигателей: учебник. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1984. 280 с.
7. Цанев С.В., Буров В.Д., Ремезов А.Н. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций: учебное пособие. 3-е изд. М.: Издат. дом МЭИ, 2009. 578 с.
8. Ивах А.Ф., Гребенюк Г.П., Ишбулатов М.Н., Арефин В.И., Фокин Н.И. Особенности конвертирования форсированной по скорости камеры сгорания при работе на природном газе // Вестник Самарского гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. С.П. Королева. 2002. № 2(2). С. 21-26.
9. Камеры сгорания авиационных ГТД // Тр. Централ. ин-та авиационного моторостроения (ЦИАМ). 2010. № 1349. 318 с.
10. Старик А.М., Фаворский О.Н. Эмиссия из авиационных двигателей и воздействие авиации на атмосферные процессы и климат // Экологические проблемы авиации. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2010. С. 207-233.
11. Расчет образования CO и NOx в камерах сгорания ГТД: электрон. учеб. пособие / С.Г. Матвеев, С В. Лукачев, М.Ю. Орлов, И В. Чечет, М.Ю. Анисимов, Ю.В. Красовская. Самара: Самар. гос. аэрокосмич. ун-т им. С.П. Королева (нац. исслед. ун-т), 2012. Режим доступа: https://ssau.ru/files/education/uch_posob/ (дата обращения 3.04.2018).
12. Умышев Д.Р., Достияров А.М., Туманов М.Е. Классификация методов подавления NOx и возможности их уменьшения за счет улучшения смесеобразования топливо-воздушной смеси // Вестник Казахского нац. техн. ун-та им. К.И. Сатпаева (КазНТУ). 2015. № 3. С. 85-92.
13. Беляев В.Е. Конверсия авиационных двигателей для работы в составе мощных энергетических установок на примере ПГУ-60С. Режим доступа: http://www.sonbi .ru/salut-science/Pub/conf/HT2006/Doc/belyaev.pdf (дата обращения: 2.04.2018).
14. Мингазов Б.Г., Мухаметгалиев Т.Х. Исследование эмиссии токсичных веществ при впрыске воды в камеру сгорания // Вестник Самар. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. С.П. Королева. 2011. № 5. С. 203-207.
15. Суровяткина Д.Г., Семёнова И.В. Энергосберегающий процесс компании "Хальдор Топсе" ("Haldor Topsoe", Дания) по получению серной кислоты из сероводорода. Режим доступа: https://www.scienceforum.ru/2014/380/206 (дата обращения 15.03.2018).
Mechanical Engineering & Computer Science
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278 © NP "NEICON"
Mechanical Engineering and Computer Science, 2018, no. 05, pp. 9-29.
DOI: 10.24108/0518.0001394
Received: 30.04.2018
Methods for Reducing Emission of Harmful Substances in the Combustion Chambers of GTE and GTP
E.M. Komarov1' ' egomikomaroyigmailju
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: nitrogen oxides, low-emission combustion chamber, gas mixture, atmospheric pollution, analysis, gas turbine engine
A combustion chamber, as one of the crucial GTE components, plays a significant role in ensuring its environmental characteristics. Therefore, understanding the mechanisms of forming harmful substances (pollutants) and a possibility to predict their emission values, when changing the engine operation parameters and the external conditions, are some of the key issues to ensure ICAO (International Civil Aviation Organization) standards. The solution of these issues allows us to estimate the emission characteristics at the stage of engine design and to develop effective methods for preventing the formation of air pollutants, as well as to increase the efficiency of burning fuels. Since the first limitation introduced by the Committee on Aviation Environmental Protection (CAEP / 1) in 1986 there were several amendments. The (CAEP / 8) standard, which has come into force since January 1, 2014, is already being ready to be replaced by more stringent requirements, i.e. reducing emissions of nitrogen oxides (NOX) by 40% by 2020 (as compared to the (CAEP / 2). As to other pollutants (CO, HC, SN), the trend is similar.
Main difficulties in creating combustion chambers with low-emission pollutants arise from the fact that reducing CO and NOx requires mutually opposite measures. A rational combustion chamber design should represent some trade-off between the requirements arising from the task of reducing emissions of these two groups of polluting components. This can be achieved through improving operation of the primary, burnout, and mixing zones, rationally chosen volume of the flame tube (FT), and residence time in the combustion chamber.
To have a clearer idea of possible ways to reduce pollutant emission of the GTE combustion chamber, it is necessary to take into account the basic mechanisms of their formation.
The main methods of reducing CO emission are based on the physical-and-chemical patterns of its formation:
1. Supporting the mixture composition in the combustion zone to be closer to a = 1.1 ... 1.3;
2. Increasing the combustion zone volume and the residence time in it.
The above methods of reducing CO emissions are difficult to implement in low-emission combustion chambers because their using leads to the sharp increase of NOX formation. It is found that only in a very narrow temperature range (flame temperature = 1650 ... 1900 K) desirable levels of NOX and CO emissions can be simultaneously achieved.
To reduce the level of NOX emission, are used the following approaches:
- liquid fuel combustion implemented at a small length of FT with a residence time in the high temperature zone (over 1920 K) 5 ... 6 milliseconds followed by intensive quench in the mixing zone, that is, the principle of "quick burn and quick quench» is used;
- fuel combustion at the temperature of 1750 ± 50 K (i.e. below 1920 K), with an outlet temperature pattern formed through the air feed in the mixing zone or
- from the zone of a combustion chamber flame tube head with no quench of product of combustion.
The analytical results of a total scope of developments in reducing pollutant emissions allow us to distinguish the following standard fuel combustion technologies in GTE combustion chambers, which meet the available environmental requirements:
1) use of burning the lean pre-mixed fuel in "dry" combustion chambers (This technology process uses the following schemes: RQL (Rich-Quench-Lean) - rich mixture combustion, followed by rapid air blending and lean mixture afterburning; LPP (Lean Premixed Pre-vaporized) - combustion of a lean premixed and vaporized mixture; LDI (Lean Direct-Injection) - combustion with lean mixture injection directly into the combustion zone;
2) catalytic combustion of a fuel-air mixture;
3) use of "wet" combustion chambers with diffusion flame and water injection (steam);
4) additional use of catalytic cleaning of GTP outlet gases.
At present, natural gas combustion chambers with emission of NOx and CO <10ppm are under design. This is almost the lowest achievable level for the operating conditions under consideration. In designing such combustion chambers a main task is to develop and improve methods that allow calculating the combustion kinetics of a gas mixture, improving the software systems for calculating and obtaining reliable data on emission of harmful substances, and also to develop experimental methods for creating and full-scale engineering of the low-emission combustion chambers for stationary units and advanced aircraft engines. The presented methods for reducing emission of harmful substances, namely improving techniques to feed fuel, zone arrangement of combustion, use of catalysts in the combustion chamber and at the outlet of the plant, when used, should result not only to reducing emissions, but also to improving the other important combustion chamber characteristics, especially extension of steady combustion limits. Studies to obtain ultra-low emission levels, based on the burning concept of the lean homogeneous mixture in the combustion chamber, are at an early stage. It is necessary to solve a number of important problems, such as a problem of «lean» flameout, of flash back, and also ensuring a sufficient evaporation of fuel and its mixing with air.
Refeerences
rvj
1. Environmental protection / Intern. civil aviation organization. 3rd ed. Vol. 2: Aircraft engine emissions: Annex 16 to the Convention on Intern. civil aviation. Montreal: ICAO, 2008. 108 p.
2. Volkov S.A., Gorbatko A.A. Analiz sushchestvuyushchikh i planiruemykh zarubezhnykh trebovanij k dvigateliam grazhdanskoj aviatsii po ogranicheniyu vybrosov vrednykh veshchestv [Analysis of existing and planned foreign requirements for civil aviation engines to limit emissions of harmful substances]. Ekologicheskie problemy aviatsii [Environmental problems of aviation]. Moscow: TORUS PRESS, 2010. Pp. 234-246 (in Russian).
3. Committee on aviation environmental protection (CAEP). 8th meeting (Montreal, Canada, Febr. 1-12, 2010): Review of technical proposals relating to aircraft engine emissions. Montreal: ICAO, 2010. 83 p. Available at:
http://web.mit.edu/aeroastro/partner/reports/caep8/caep8-nox-cost-ben.pdf, accessed 03.04.2018.
4. Lefebvre A. Gas turbine combustion. Wash.: Hemisphere Publ. Co., 1983. 531 p. (Russ. ed.: Lefebvre A. Protsessy v kamerakh sgoraniia GTD. Moscow: Mir Publ., 1986. 566 p.).
5. Inozemtsev A.A., Sandratskij V.L. Gazoturbinnye dvigateli [Turbine engines]. Perm', 2006. 1204 p. (in Russian).
6. Pchelkin Yu.M. Kamery sgoraniia gazoturbinnykh dvigatelej [Combustion chambers of gas
rd
turbine engines]: a textbook. 3 ed. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1984. 280 p. (in Russian).
7. Tsanev S.V., Burov V.D., Remezov A.N. Gazoturbinnye i parogazovye ustanovki teplovykh elektrostantsij [Gas-turbine and steam-gas installations of thermal power plants]: a textbook. 3rd ed. Moscow: MEI Publ., 2009. 578 p. (in Russian).
8. Ivakh A.F., Grebenyuk G.P., Ishbulatov M.N., Arefin V.I., Fokin N.I. Peculiarities of converting speed-boosted combustion chamber operating on natural gas. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akad. S.P. Koroleva [Vestnik of Samara Univ. Aerospace and Mechanical Engineering], 2002, no. 2(2), pp. 21-26 (in Russian).
9. Kamery sgoraniia avaiatsionnykh GTD [The combustion chamber of aviation engine]. Trudy CIAM [Proc. of the CIAM], 2010, no. 1349. 318 p. (in Russian).
10. Starik A.M., Favorskij O.N. Emissiia iz aviatsionnykh dvigatelej i vozdejstvie aviatsii na atmosfernye protsessy i klimat [Emissions from aircraft engines and the impact of aviation on atmospheric processes and climate]. Ekologicheskie problemy aviatsii [Environmental problems of aviation]. Moscow: TORUS PRESS, 2010. Pp. 207-233 (in Russian).
11. Raschet obrazovaniia CO i NOx v kamerakh sgoraniia GTD [The calculation of the formation of CO and NOx in the combustion chambers of GTE]: electronic textbook / S.G. Matveev, S.V. Lukachev, M.Yu. Orlov, I.V. Chechet, M.Yu. Anisimov, Yu.V. Krasovskaia. Samara, 2012. Available at: https://ssau.ru/files/education/uch_posob/, accessed 3.04.2018 (in Russian).
12. Umyshev D.R., Dostiiarov A.M., Tumanov M.E. Classification of NOx suppression methods and the possibility of their reduction by improving the mixture of fuel-air mixture. Vestnik Kazakhskogo natsional'nogo tekhnicheskogo universiteta im. K.I. Satpaeva [Bull. of the Kazakhstan National Technical Univ. named K. I. Satpaev], 2015, no. 3, pp. 85-92 (in Russian).
13. Beliaev V.E. Konversiia aviatsionnykh dvigatelej dlia raboty v sostave moshchnykh energeticheskikh ustanovok na primere PGU-60S [Conversion of aircraft engines for operation as part of powerful power plants on the example of PGU-60S]. Available at: http://www.sonbi.ru/salut-science/Pub/conf/HT2006/Doc/belyaev.pdf, accessed 2.04.2018 (in Russian).
14. Mingazov B.G., Mukhametgaliev T.H. Research of toxic substances emission during water injection into a combustion chamber. Vestnik Samarskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta im. akad. S.P. Koroleva [Vestnik of Samara Univ. Aerospace and Mechanical Engineering], 2011, no. 5, pp. 203-207 (in Russian).
15. Suroviatkina D.G., Semenova I.V. Energosberegayushchijprotsess kompanii "Haldor Topse" (Haldor Topsoe, Daniia) po polucheniyu sernoj kisloty iz serovodoroda [Energy-saving process by Haldor Topsoe (Denmark) to produce sulfuric acid from hydrogen sulfide]. Available at: https://www.scienceforum.ru/2014/380/206, accessed 15.03.2018 (in Russian).
