CC BY
52ТРАНСПОРТИРОВКА ГАЗА И ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА
СИСТЕМА СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ ГАЗОВЫХ ТУРБИН
УДК 504.3.054; 504.3.06
А.Г. Кочарян, ООО «Газпром трансгаз Чайковский (Чайковский, РФ)
А.А. Черепанов, ООО «Газпром трансгаз Чайковский», cherepanovaa0ptg.gazprom.ru
З.Я. Тухватуллин, ООО «Газпром трансгаз Чайковский»
А.А. Макаров, к.т.н., АО «ЭКАТ» (Пермь, РФ)
А.П. Шерстобитов, АО «ЭКАТ»
В ООО «Газпром трансгаз Чайковский» на компрессорной станции (КС) «Горнозаводская» впервые был разработан и применен комплекс новых технических решений по установке газоочистного оборудования на газотурбинном агрегате ГПА-16 «Урал». В рамках проекта были определены оптимальная структура катализатора и его активные вещества, выбран реагент для протекания реакции, а также проведены аэродинамические расчеты для выравнивания потока. Успешно проведенные приемочные испытания системы селективного каталитического восстановления (СКВ) для нейтрализации выбросов оксидов азота на ГПА показали эффективность очистки до 100 % в зависимости от выбранного режима и расхода реагента. В рамках реализации проекта была достигнута стратегически важная задача - возможность применять ГПА отечественного производства с технологией СКВ, соответствующие мировым экологическим стандартам, как в России, так и за рубежом, в том числе при строительстве новых газопроводов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: СЕЛЕКТИВНОЕ КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ, ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЕ АГРЕГАТЫ, СУХОЕ ПОДАВЛЕНИЕ, ОКСИДЫ АЗОТА, ОКСИДЫ УГЛЕРОДА, НАИЛУЧШИЕ ДОСТУПНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ.
Промышленно-экономическое развитие любой страны сопровождается, как правило, ростом загрязнения окружающей среды. Одним из экологических факторов, оказывающих наиболее выраженное влияние на человека, является качество воздуха. На современном этапе развития основными источниками поступления в воздушный бассейн загрязняющих веществ, таких как взвешенные вещества, оксиды азота (N0^, углерода (СО) и серы, становятся антропогенные источники загрязнения. Загрязнение окружающей среды и, в частности, атмосферы имеет неблагоприятные последствия для здоровья не только настоящего, но и будущих поколений. В связи с этим на первый план выходит разработка мероприятий, направленных на уменьшение выбросов вредных веществ.
ПАО «Газпром», в свою очередь, ведет системную работу по минимизации воздействия на окружающую среду. Основной экологической целью при осуществлении дочерними обществами компании производственной деятельности является снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух.
В утвержденной в 2009 г. Научно-технической политике ОАО «Газпром» в области газоперекачивающей техники определены ориентировочные параметры газоперекачивающих агрегатов (ГПА), которые необходимо учитывать при применении ГПА на объектах «Газпрома» в долгосрочной перспективе (до 2020 г), при этом содержание оксидов азота в выхлопных газах приводных двигателей не должно превышать 50 мг/м3 к 2015 г. и 30-25 мг/м3 к 2020 г., а содержа-
ние оксида углерода не должно составлять более 100 мг/м3 [1].
Таким образом, появляется необходимость поиска универсального способа снижения концентрации Ы0Х в продуктах сгорания газотурбинных приводов как на вновь разрабатываемых, так и на находящихся в эксплуатации ГПА.
Поставленную задачу можно решить двумя способами:
• снижением выбросов за счет принципиального изменения конструкции ГПА (сухое подавление выбросов КЮХ);
• доочисткой выбросов на выходе из ГПА (селективное каталитическое восстановление - СКВ, селективное некаталитическое восстановление).
В табл. 1 приводятся наилучшие доступные технологии (НДТ), по данным Европейской комиссии, позволяющие нейтрализовать
Г?
СЭГАЗОРОМ
СОХРАНЯЯ ПРИРОДУ
Таблица 1. НДТ для снижения выбросов NOx и ОД от газовых турбин [2]
Тип установки Уровень выбросов, соответствующий НДТ, мг/м3 при н. у. N0, СО Уровень содержания кислорода, % Варианты НДТ для достижения данных уровней
Новые газовые турбины (ГТ) 20-50 5-100 15 Горелки предварительного смешения с сухим подавлением N0, или СКВ
Сухое подавление выбросов NOx для существующих ГТ 20-75 5-100 15 Горелки предварительного смешения с сухим подавлением выбросов N0, в качестве модернизации, если возможно
Действующие ГТ 50-90 30-100 15 Впрыск воды или пара или СКВ
Таблица 2. Методы предотвращения и контроля выбросов NOx от ГТ [2]
Применимость Эксплуатационный опыт
Метод Экологическая выгода На новых установках На модернизированных установках Перекрестные влияния Примечания
Камера сгорания с сухим подавлением выбросов N0, Сокращение N0, Стандартное В зависимости от ГТ Высокий В случаях, когда возможна реконструкция старых турбин, затраты могут быть очень высокими и составлять до 50 % затрат на новую турбину
СКВ Возможно Возможно Выбросы аммиака В зависимости от конкретной ситуации
выбросы NOx и ^ от газовых турбин.
Сухое подавление является перспективным методом нейтрализации NOx, но его применение не всегда экономически обосновано: затраты на реконструкцию действующей газовой турбины сопоставимы с половиной стоимости новой турбины. Таким образом, СКВ является более универсальным способом снижения выбросов ГПА.
Основные особенности методов предотвращения и контроля выбросов оксидов азота от газовых турбин представлены в табл. 2.
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА СКВ
Система СКВ представляет собой модули, устанавливаемые в выхлопном тракте ГПА, и дополнительные модули обеспечения ее работы, размещаемые на площадке агрегата (рис. 1).
Восстановитель впрыскивается в поток дымовых газов на входе
Каталитический реактор
Газоперекачивающий агрегат
Система подачи реагента
Насосная станция
САУ
Бак с реагентом
Рис. 1. Схематичное изображение системы СКВ
ТРАНСПОРТИРОВКА ГАЗА И ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА
Рис. 2. Типы катализаторов СКВ: а) сотовый керамический; б) пластинчатый
Рис. 3. Внешний вид катализатора
Рис. 4. Система СКВ, установленная на ГПА-16 «Урал»
в катализатор. Преобразование 1\ЮХ происходит на поверхности катализатора путем одной из следующих основных реакций:
1) с аммиаком в качестве восстановителя:
4NO + 4NHз + 02 о + 6Н20, (1) 6NO2 + 8NH3 о 7^ + 12Н20; (2)
2) с мочевиной в качестве восстановителя:
4NO + 2^Н2)2СО + 2Н20 + 02 о о 4^ + 6Н20 + 2С02, (3)
6NO2 + 4(NH2)2CO + 4Н20 о 7N2 + 12Н20 + 4С02. (4)
Скорость подачи и расход восстановительного реагента определяются концентрацией 1\Юх на входе и выходе системы очистки [2].
В качестве катализаторов для СКВ-установок применяются катализаторы в форме (рис. 2):
• сотовых керамических блоков;
• пластинчатых элементов.
Наибольшее распространение
получили сотовые керамические катализаторы (рис. 3). В основном эти катализаторы производятся экструзией однородной катали-заторной массы, каналы имеют квадратное сечение различных размеров [3].
Благодаря использованию катализаторов в процессе очистки уменьшается расход реагента, значительно снижается температура нейтрализации оксидов азота, и при этом эффективность очистки превышает 90 %.
При установке СКВ после ГПА важно не только правильно подобрать реагент и катализатор, но и соблюсти следующие технические условия:
• определить экономическую целесообразность: снизить температуру выхлопных газов разбавлением воздухом или использовать катализатор для высоких температур;
• обеспечить равномерное распределение температуры, концентрации паров реагента и 1\ЮХ в момент попадания газо-
вого потока на каталитические блоки;
• обеспечить минимальное противодавление в системе.
Только в случае одновременного выполнения трех вышеуказанных условий система СКВ будет эффективным решением для нейтрализации оксидов азота [4].
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ
В 2015-2016 гг. в рамках НИОКР «Разработка технологии по сокращению выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух» на КС «Горнозаводская» ООО «Газпром трансгаз Чайковский» (Пермский край)впервые был разработан и применен комплекс новых технических решений по установке газоочистного оборудования на газотурбинном агрегате ГПА-16 «Урал» производства НПО «Искра».
Проект инициирован ООО «Газпром трансгаз Чайковский» совместно с ООО «Газпром ВНИИГАЗ». К решению поставленной задачи была привлечена компания «ЭКАТ», разработавшая систему СКВ. В процессе проектирования активное участие принимали сотрудники НПО «Искра» -владельца конструкторской документации на ГПА. В рамках работы над НИОКР проведен анализ комплекта документации по дорабатываемому агрегату, и, учитывая взаиморасположение агрегатов на территории КС и конструктивные особенности системы выхлопа ГПА, выполнена доработка агрегата с учетом оптимальной компоновки системы (рис. 4).
Кроме того, был проведен комплекс аэродинамических расчетов выхлопного тракта с установленной системой СКВ. Предложенная компоновка системы СКВ позволила обеспечить выравнивание потока, разрушение вихревых образований, отклонений векторов скоростей от нормали на входе в катализатор не более 15 %.
В ходе конструирования системы СКВ были также определены
СОХРАНЯЯ ПРИРОДУ
Таблица 3. Результаты замеров концентрации N0,, в отходящих газах ГПА при приемочных испытаниях системы СКВ
Расход реагента
Мощность ГПА 0 л/мин 0,32 л/мин 0,45 л/мин 0,47 л/мин 0,48 л/мин 0,55 л/мин 0,86 л/мин
Концентрации NOx в отходящих газах ГПА
0,5 номинала 137 мг/м3 - - - 0 мг/м3 - -
0,75 номинала 149 мг/м3 48 мг/м3 - 42,9 мг/м3 - - -
1,0 номинала 180 мг/м3 - 123 мг/м3 - - 84 мг/м3 16 мг/м3
оптимальная структура носителя катализатора и несколько каталитических композиций (рис. 5). Разработаны алгоритмы работы включения и отключения исполнительных механизмов системы СКВ в автоматическом и ручном режимах по командам САУ СКВ. Предусмотрены автоматическая система управления подачи реагента по сигналу САУ и дополнительно вариант с альтернативной (резервной) системой подачи реагента.
ИСПЫТАНИЕ СИСТЕМЫ
В сентябре 2016 г. после завершения монтажа системы СКВ на ГПА-16 «Урал» успешно прошли приемочные испытания. Для экспериментальной проверки каталитической системы были составлены программа и методика испытаний, регламентирующие проверку системы в нескольких режимах работы. В комиссию вошли представители ПАО «Газпром», ООО «Газпром трансгаз Чайковский», ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и специалисты других организаций.
Задачами испытаний являлись: проверка параметров выхлопных газов ГПА на соответствие паспортным данным производителя ГТУ, проверка основных характеристик системы СКВ на минимальном, номинальном и оп-
тимальном для газотранспортной системы режимах работы ГПА, подтверждение работоспособности системы СКВ по снижению концентрации оксидов азота.
По итогам приемочных испытаний были официально зарегистрированы показатели, полностью соответствующие техническому заданию (рис. 6).
Испытания системы СКВ показали эффективность очистки до 100 % в зависимости от выбранного режима ГПА и расхода реагента, что позволило не только достичь требуемых европейских нормативов, но и превзойти их в несколько раз (табл. 3). Технология использования данной системы очень проста и не требует дополнительной подготовки персонала.
ВЫВОДЫ
Разработанная система СКВ в ООО «Газпром трансгаз Чайковский» позволяет эффективно справляться с выбросами КЮх от ГПА. В зависимости от выбранного режима и расхода реагента эффективность очистки составляет почти 100 %.
В рамках реализации проекта была достигнута стратегически важная задача - доказана возможность применения ГПА отечественного производства, соответствующих мировым экологическим стандартам. Россий-
Рис. 5. Лабораторное тестирование катализатора подавления оксидов азота
Рис. 6. Контрольный замер. Концентрация N0х после очистки составила 0,1 мг/м3
ское оборудование, оснащенное системой СКВ, может быть успешно внедрено как в России, так и за рубежом, причем как на уже эксплуатируемых ГПА, так и при строительстве новых газопроводов. ■
ЛИТЕРАТУРА
1. Научно-техническая политика ОАО «Газпром» в области газоперекачивающей техники (утв. Председателем Правления 20 октября 2009 г. № 01-110).
2. Reference Document on Best Available Techniques for Large Combustion Plants [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://eippcb.jrc. ec.europa.eu/reference/BREF/lcp_bref_0706.pdf (дата обращения: 11.05.2017).
3. Ходаков Ю.С. Оксиды азота и теплоэнергетика: проблемы и решения. М.: ЭСТ-М, 2001. 416 с.
4. Chupka M., Licata A. Independent Evaluation of SCR Systems for Frame-Type Combustion Turbines Report for ICAP Demand Curve Reset prepared for NYISO. October 2013.
