CC BY
1
2023 Электротехника, информационные технологии, системы управления № 46 Научная статья
DOI: 10.15593/2224-9397/2023.2.10 УДК 681.545
Н.А. Черепанов, А.Б. Петроченков
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Российская Федерация
СИСТЕМА СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ NOx ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИХ АГРЕГАТОВ С ГАЗОТУРБИННЫМ ПРИВОДОМ
В настоящее время в атмосферный воздух в год выбрасывается 140 тыс. т оксидов азота и 270 тыс. т оксида углерода, при этом характеристики газоперекачивающего оборудования российского производства не достигают мирового уровня по выбросам загрязняющих веществ. Парк газоперекачивающего оборудования в основном представлен турбинами простого цикла с приводами авиационного типа, характеризующимися высокой температурой и неравномерностью выхлопных газов. Для требуемой очистки дымовых газов ГПА от оксидов азота были проведены аэродинамические расчеты выхлопного тракта с установленной системой СКВ, рассчитаны объем катализатора и расход реагента, необходимые для обеспечения эффективной работы системы СКВ, и разработана конструкторская документация. Для экспериментальной проверки данной каталитической системы были составлены программа и методика испытаний. Целью исследования являются анализ основных методов очистки выбросов газовых турбин и анализ обеспечения эффективной работы системы селективного каталитического восстановления. Методы исследования и результаты: произведён расчет необходимого объема катализатора и расхода реагента для обеспечения эффективной работы системы селективного каталитического восстановления. Согласно полученным результатам, можно сделать вывод, что при увеличении частоты вращения турбины низкого давления газоперекачивающего агрегата эффективность очистки увеличивается при использовании в качестве реагента «аммиачной воды» и снижается при использовании в качестве реагента «мочевины». Практическая значимость: получена эффективность очистки отходящих газов от оксидов азота при применении системы селективного каталитического восстановления на режиме от половинной загрузки до номинального режима работы при всех видах реагента.
Ключевые слова: система каталитического восстановления, ГПА, СКВ, ГТУ, эффективная работа системы, реагент, мочевина, аммиачная вода.
N.A. Cherepanov, A.B. Petrochenkov
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
SELECTIVE CATALYTIC RECOVERY SYSTEM TO REDUCE NOx EMISSIONS OF GAS TURBINE DRIVE GAS COMPRESSOR UNITS
Currently, 140 thousand tons of nitrogen oxides and 270 thousand tons of carbon monoxide are emitted into the atmosphere each year, while the characteristics of gas pumping equipment of Russian production do not reach the world level in terms of pollutant emissions. The fleet of gas pumping equipment is mainly represented by simple cycle turbines with aircraft-type drives characterized by high temperature and uneven exhaust gases. Aerodynamic calculations of the exhaust duct with the installed SCR system were carried out for the required purification of gas flue gases from nitrogen oxides, the volume of catalyst and reagent consumption required to ensure the effective operation of the SCR system were calculated, and design documentation was developed. For experimental testing of this catalyst system, a test program and procedure were prepared. The purpose of the study is to conduct an analysis of the main methods of cleaning gas turbine emissions and the analysis of ensuring the efficient operation of the selective catalytic reduction system. Research methods and results: There was calculation of the required catalyst volume and reagent consumption made to ensure the efficient operation of the selective catalytic reduction system. According to the results obtained, it can be concluded that as the LPT (low-pressure turbine) GPU rotational speed increases, the purification efficiency increases when ammonium hydroxide is used as a reagent and decreases when carbamide is used as a reagent. Practical significance: the efficiency of cleaning off gases from nitrogen oxides was obtained when using the SCR system in a mode from 0.5 to the nominal operating mode for all types of reagent.
Keywords: catalytic regeneration system, GPU, SCR, GTM, effective system operation, reagent, carbamide, ammonium hydroxide.
Введение
Загрязнение окружающей среды токсичными продуктами сгорания органических топлив является одной из важнейших проблем современной теплоэнергетики. В настоящее время в России наблюдается ужесточение норм концентрации вредных веществ в выхлопных газах газоперекачивающего агрегата (ГПА). Так, в частности, согласно экологической политике, концентрация оксидов азота NOx в продуктах сгорания не должна превышать 30 мг/м . Однако на настоящий момент ни один ГПА отечественного производства не может обеспечить соблюдение таких норм. Применение перспективных газотурбинных двигателей, работающих с малоэмиссионной камерой сгорания в качестве привода ГПА, позволит добиться соблюдения норм для вновь разрабатываемых агрегатов. Но тем не менее это не решит проблемы, связанной с превышением эмиссии NOx в продуктах сгорания колоссального количества ГПА, которые находятся в эксплуатации. В настоящее время парк данных типов ГПА составляет более 4000 штук.
Таким образом, существует необходимость поиска универсального способа снижения концентрации NOx в продуктах сгорания газотурбинных приводов как на вновь разрабатываемых, так и на находящихся в эксплуатации ГПА. Одним из таких способов является применение в составе ГПА системы селективного каталитического восстановления (СКВ). Этот метод широко применяется для очистки дымовых и выхлопных газов от NOx с эффективностью до 90 %.
Современный опыт [1, 2] показывает, что нельзя рассматривать любое оборудование (особенно электротехническое оборудование) касательно только вопроса его эксплуатации «оторванно» от вопроса его проектирования, в процессе которого и были заложены основные критерии, показатели надежности, режимы работы и другие аспекты, которыми приходится оперировать в процессе эксплуатации.
1. Обзор основных методов очистки выбросов газовых турбин 1.1. Сухое подавление (DLN) оксидов азота
БЬК-система представляет собой двухступенчатую камеру сгорания с предварительным смешением топлива и воздуха. Такая система может работать как на газообразном, так и на жидком топливе.
Система включает в себя четыре основных компонента: систему впрыска топлива, пламенную (жаровую) трубу, сопло Вентури и центральную секцию пламенной трубы. Эти компоненты объединены в общую конструкцию и образуют две ступени камеры сухого подавления. В режиме предварительного приготовления топливной смеси первая ступень служит для тщательного перемешивания топлива с воздухом и получения однородной бедной, не сгоревшей топливовоздуш-ной смеси для подачи ее во вторую ступень.
Предварительное перемешивание топлива и природного газа и сгорание топливовоздушной смеси зависят от нагрузки установки:
- режим I (первичный): происходит зажигание топлива, набор частоты вращения газовой турбины (ГТ), работа под нагрузкой, равной 20 % от номинальной. Смесь воздуха и топлива поступает только в горелки первой ступени, где сгорает топливо;
- режим II (обедненный): ГТ работает в интервале нагрузки, равной 20-39 % номинальной. Смесь воздуха и топлива подается в обе ступени компрессорной станции (КС), и горение осуществляется в двух ступенях;
- режим Ш (вторичный): работа ГТ при нагрузке, равной 40 % от номинальной. Смесь воздуха и топлива поступает только во вторую ступень компрессорной станции, где сгорает;
- режим IV (предварительного смешения): работа ГТ в интервале нагрузок 41-100 % от номинальной. Смесь воздуха и топлива подается в обе ступени КС, но горение происходит только во второй ее ступени, где сгорает все топливо.
Возможен автоматический переход от сжигания природного газа к сжиганию жидкого топлива. Специальные детекторы пламени отслеживают горение в первой и второй ступенях DLN-системы. Свечи зажигания не убираются во время работы, так как необходимо осуществлять повторное зажигание топлива в первой ступени при высоких нагрузках. Первая секция приготовления топливовоздушной смеси ограничена стенкой первой ступени камеры сухого подавления и передним конусом сопла Вентури. Последнее препятствует обратному забросу горячих газов из второй в первую ступень DLN-системы.
Эффективность камеры сухого подавления изменяется в зависимости от нагрузки. Регулированием калиброванного клапана осуществляется разделение топлива для работы в заданной точке, определенной по расчетной температуре зажигания.
Принципиальная схема системы подачи и распределения газового топлива в камере сухого подавления показана на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема системы подачи и распределения газового топлива в камере сухого подавления (SRV - клапан задания скорости/степени обеднения топливовоздушной смеси; GCV - клапан регулирования расхода газа; GSV - клапаны распределения газовых потоков; Р - первая ступень; S - вторая ступень; GTV -переключение газовых потоков)
Особенностью DLN-системы является то, что такой способ очистки может использоваться только в ГТ нового поколения, в которых было предусмотрено его наличие на стадии проектирования.
1.2. Селективное некаталитическое восстановление (SNCR)
Метод селективного некаталитического восстановления (СНКВ) получил широкое распространение в мировой энергетике и применяется в России на ТЭЦ. В этом методе в дымовые газы добавляется аммиак или мочевина, которые восстанавливают NO до молекулярного азота. Отказ от использования катализатора позволяет существенно удешевить процесс.
Метод применяется в температурном диапазоне примерно от 850 до 1100° С и описывается брутто-реакцией:
4NO+4NH3+O2->4N2 + 6H2O. (1)
При более низких температурах реакция протекает слишком медленно, а при более высоких с ней начинает конкурировать следующая реакция:
4NH3+5O2->4NO+6 H2O. (2)
Основная сложность в применении этого метода связана с необходимостью обеспечить очень однородное смешение реагента с дымовыми газами именно в заданном температурном окне и пребывание в нём в течение 200-500 мс.
1.3. Селективное каталитическое восстановление (SCR, СКВ)
Селективное каталитическое восстановление является наиболее эффективным средством снижения выбросов NOx.
Применение катализаторов позволяет многократно усилить эффект некаталитического восстановления оксидов азота, снизить расходы реагентов, существенно снизить температуру процесса и повысить стабильность системы очистки.
Эффективность очистки в случае использования данного метода достигает свыше 90 %. В сочетании с технологией сухого подавления она позволяет обеспечить соблюдение нижней границы экологических нормативов по NOx (20 мг/м). Схематичное изображение СКВ-системы представлено на рис. 2.
Каталитическая газоочистка представлена химическими процессами восстановления газом-восстановителем до простейших составляющих. Конечным продуктом реакции являются безопасные компоненты - пары воды, углекислый газ, азот.
Рис. 2. Схематичное изображение системы СКВ
Восстановительный агент (реагент) инжектируется в поток дымовых газов до катализатора. Вблизи поверхности катализатора происходят с разной степенью интенсивности восстановительные реакции, в результате которых оксиды азота переходят в молекулярный азот. Скорость подачи и расход реагента определяются концентрацией NOx на входе и выходе из системы очистки.
Если в качестве реагента выступает аммиак, то его инжекция осуществляется преимущественно вдувом смеси воздуха с предварительно испаренным и подмешанным безводным аммиаком, реже -впрыском водного раствора аммиака непосредственно в поток.
В случае применения в качестве реагента раствора карбамида его инжекция осуществляется преимущественно непосредственным впрыском в поток дымовых газов или предварительной газификацией и разложением карбамида с получением аммиачно-газовой смеси [3-6].
Особенности процесса СКВ. Система СКВ представляет собой модули, устанавливаемые в выхлопном тракте ГПА, и дополнительные модули обеспечения ее работы, размещаемые на площадке агрегата (рис. 3).
Рис. 3. Схематичное изображение системы СКВ
Восстановитель впрыскивается в поток дымовых газов на входе в катализатор. Преобразование NOx происходит на поверхности катализатора путем одной из следующих основных реакций:
1. С аммиаком в качестве восстановителя:
4Ш + 4№ + O2 ~ 4N2 + 6ВД. (3)
6NO2 + 8№ ~ 7 N2 + 12 ВД. (4)
2. С мочевиной в качестве восстановителя:
4NO + 2^2)2ТО + 2H2O + O2 ~ 4N2 + 6H2O + 2Ш2. (5) 6NO2 + 4(NH2)2CO + 4^0 ~ 7N2 + 12H2O + 4CO2. (6)
Скорость подачи и расход восстановительного реагента определяются концентрацией N0x на входе и выходе системы очистки [7].
В качестве катализаторов для СКВ-установок применяются катализаторы в форме:
- сотовых керамических блоков;
- пластинчатых элементов.
Наибольшее распространение получили сотовые керамические катализаторы (рис. 4). В основном эти катализаторы производятся экструзией однородной катализаторной массы, каналы имеют квадратное сечение различных размеров [8-11].
Рис. 4. Внешний вид катализатора
Благодаря использованию катализаторов в процессе очистки уменьшается расход реагента, значительно снижается температура нейтрализации оксидов азота, и при этом эффективность очистки превышает 90 % [12-15].
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 [16-19];
- обеспечить равномерное распределение температуры, концентрации паров реагента и NOx в момент попадания газового потока на каталитические блоки;
- обеспечить минимальное противодавление в системе;
- учесть специфику работы ГПА применительно к электроэнергетической системе (при различных режимах сброса (наброса) нагрузки) [20, 21].
Только в случае одновременного выполнения трех вышеуказанных условий система СКВ будет эффективным решением для нейтрализации оксидов азота [22-25].
2. Характеристика газовой турбины
Для турбин в системе приводных газотурбинных установок (ГТУ) определяющей является зависимость:
°т = А^т; Тг), (7)
где от - расход газа через турбину; л:т - степень расширения, Тг - температура газа;
При этом частота вращения турбины мало влияет на ее пропускную способность. Графически эта зависимость представляет собой семейство парабол, построенных на базе принятых в теории зависимости турбин. Вместо Тг удобнее пользоваться коэффициентом т = Тг/Тв, где Тв - температура воздуха. Зная относительные потери давления по тракту Отр и соотношение расходов турбин и компрессора ок характеристики турбины и компрессора можно совместить пользуясь выражением:
^т = - ^тр • 7), (8)
= ^к "" ^топ — ^ох — °ут, (9)
где отоп - массовый расход топлива, о0Х - массовый расход воздуха на охлаждение, Оуг - массовый расход утечек, отр - в потери давления по тракту.
Количество тепла, передаваемое в генераторе на переменном режиме, зависит от способа регулирования ГТУ, влияющего на изменение температурного интервала между газом после турбины и воздухом после компрессора. Под способом регулирования понимают воздействие на регулирующие факторы для поддержания заданных регулируемых параметров (Ые - эффективная мощность ГТУ, п - частота вращения, Тг - температура продуктов сгорания, пк - степень повышения давления в компрессоре) и т.д.
Главный регулирующий фактор - подача топлива, но можно использовать также изменение геометрии компрессора или турбины.
Кроме рассмотренной выше характеристики ГТУ заводами-изготовителями газовых турбин обеспечиваются на каждый новый тип агрегата и затем строятся по опытным данным универсальная характеристика осевого компрессора, характеристика режимов работы ГТУ, зависимость мощности и расхода воздуха от оборотов компрессора, зависимость давления за компрессором и между турбинами от оборотов компрессора, зависимость мощности силового вала, зависимость температуры от мощности и др.
Следует иметь в виду, что все перечисленные зависимости обрабатываются заводами по показаниям приборов с повышенным классом точности и что испытания проводятся с чистым лопаточным аппаратом осевого компрессора и турбины при номинальных зазорах линейной части [26].
Одним из основных параметров, определяющих режим работы газовой турбины, является располагаемая мощность привода цн, где ао - коэффициент для учета зависимости располагаемой мощности от частоты вращения осевого компрессора.
На основании исследований кафедры термодинамики и тепловых двигателей МИНХ и ГП им. Губкина получена более общая зависимость располагаемой мощности (#рас) от относительных оборотов («цн ) и температуры воздуха (7В):
Мрас=^ном • А — а2-т, (10)
где А = а00 + а10 • п + а20 • п2 + а01 • ¿в + а02 • ^[У + ап • п • Гв, (11) а0 - коэффициент для учета зависимости располагаемой мощности от частоты вращения осевого компрессора; а1 - коэффициент для учета изменения располагаемой мощности ГТУ при отключении температуры окружающего воздуха Тв от номинальной температуры, равной 288 К; а2 - коэффициент для учета падения располагаемой мощности ГПА в межремонтный период; т - время, месяцы, прошедшие с момента последнего ремонта ГТУ.
Особое значение имеет КПД привода, так как именно он фигурирует в выражениях для подсчета общих затрат энергии. В работе [16] предполагают, что основные факторы, влияющие на КПД ГТУ, - это коэффициент загрузки и относительные обороты.
Необходимо также учитывать аккумуляцию энергии во вращающихся массах роторов двухвальной газотурбинной установки, динамика которых описывается уравнениями ротора турбокомпрессора и свободной турбины (СТ) [27-29].
АоI = КоI• (Аои ~ Ао/) , (!Т = Кст • А0I, птз = К^ТБ • Gт,
ПТК = ^р^, (12)
1 NТК NЕ = К-ЫЕ ' ПТК>
где Ло1 - угол поворота дозатора газа; Лви - заданный угол поворота дозатора газа; От - расход топлива; птк - частота вращения ротора турбокомпрессора; пет - частота вращения ротора СТ; пт$ - частота вращения ротора турбокомпрессора по статической характеристике; 3 -суммарный приведенный к валу момент инерции СТ; тытк - постоянная времени ротора турбокомпрессора; ЫЕ - располагаемая мощность СТ; - потребляемая мощность СТ; Кщ, КОт, КЫт$, КЫЕ - коэффициенты [30].
Данный алгоритм позволит получить выходные характеристики и перейти к разработке испытательного стенда САУ СКВ.
В процессе стендовая система управления должна рассчитывать значение подачи количества реагента в зависимости от оборотов ГТУ, а также определять наиболее эффективный реагент для уменьшения выбросов оксидов азота в атмосферу [31].
3. Расчет необходимого объема катализатора и расхода реагента для обеспечения эффективной работы системы СКВ
Исходные данные по качественному и количественному составу выхлопных газов ГПА-16 «Урал» были приняты в соответствии с данными разработчика ГПА - ПАО НПО «Искра» и приведены в табл. 1.
Расчетные значения требуемого объема катализатора, удельного расхода реагента для режимов 100 и 50 % мощности работы ГПА (жидкость «AdBlue» - 32,5 % водный раствор карбамида), зависимости расчетного значения гидравлического сопротивления от площади каталитического реактора приведены в табл. 2, 3 и на рис. 5.
Таблица 1
Состав выхлопных газов за свободной турбиной ГТУ-16П
при Тн = +15 °С
Режим работы ГТУ, % ном. мощности 100 50
Коэффициент избытка воздуха 3,53 4,72
Состав выхлопных газов при стандартной влажности воздуха
(объемные %):
02 14,35 15,90
м2 75,55 76,10
С02 2,88 2,17
Н20 7,22 5,83
Содержание вредных веществ, прив. к 15 % О2, мг/м3, не более:
Шх 180 137
СО 47 128
SОx* 0,3
* - для состава топливного газа по ГОСТ 23184-83 с максималь-
ным содержанием серосодержащих соединений по ГОСТ 5542
Полная температура потока, °С 486,6 404,8
Расход газа, кг/с 55,38 42,92
Таблица 2
Расчетные значения объема катализатора и расхода реагента (100 % мощности ГТУ)
ГТУ-16П (100% ном. мощности)
Параметр Значение Ед. измерения
Массовый расход выхлопных газов 55,38 кг/с
Температура выхлопных газов 486,6 °С
Давление, абс 101350 Па
Концентрация NОx 180 мг/м3
Концентрация СО 47 мг/м3
Молярная масса выхлопных газов 28,3128 г/моль
Универсальная газовая постоянная 8,314 м2-кг/(с2-К-моль)
Плотность горячих выхлопных газов 0,454372039 кг/м3
Объемный расход выхлопных газов при н.у. 45,95850622 м3/с
Объемный расход горячих выхлопных газов 121,8824999 м3/с
Массовый расход NОx 21,93884999 г/с
Массовый расход СО 5,728477497 г/с
Массовый расход реагента 18,20924549 г/с
Требуемый минимальный объем катализатора 18 м3
Массовый расход реагента 65,55328377 кг/ч
Таблица 3
Расчетные значения объема катализатора и расхода реагента (50 % мощности ГТУ)
ГТУ-16П (50 % ном. мощности)
Параметр Значение Ед. измерения
Массовый расход выхлопных газов 42,92 кг/с
Температура выхлопных газов 404,8 °С
Давление, абс 101350 Па
Концентрация NОХ 137 мг/ м3
Концентрация СО 128 мг/ м3
Молярная масса выхлопных газов 28,4002 г/моль
Универсальная газовая постоянная 8,314 м2-кг/(с2-К-моль)
Плотность горячих выхлопных газов 0,510779627 кг/ м3
Объемный расход выхлопных газов при н.у. 35,61825726 м3/с
Объемный расход горячих выхлопных газов 84,02841013 м3/с
Массовый расход NОХ 11,51189219 г/с
Массовый расход СО 10,7556365 г/с
Массовый расход реагента 9,554870516 г/с
Требуемый минимальный объем катализатора 10 м3
Массовый расход реагента 34,39753386 кг/ч
Массовый расход реагента 825,5408126 кг/сутки
16000
15000
14000
с 13000
1.2000
£ НООО
| 10000
1. 9000 с
8 8000 I 7000 В 6000 ? 5000 3 4000 = 3000 2000 1000 О
Рис. 5. Зависимость гидравлического сопротивления каталитического реактора от его проходного сечения (при размерах блоков сотовой керамики 150x150x1300)
3.1. Особенности выбора реагента
В системах СКВ в качестве реагента используется раствор карбамида или аммиака (табл. 4).
Таблица 4
Выбор реагента
Аммиак (КН3) Промышленный раствор карбамида
- Является более эффективным, чем карбамид; - требует более низких капитальных затрат; - прост в эксплуатации; - не имеет дополнительных технологических ступеней; - обеспечивает снижение вероятности коррозии и загрязнения оборудования - Отсутствует риск загрязнения катализатора; - безопасен и нетоксичен; - прост в обслуживании; - не имеет рисков, связанных с транспортировкой, разгрузкой и хранением (в сравнении с аммиаком)
В качестве реагента-восстановителя в системах селективного каталитического восстановления оксидов азота широко используется водный раствор карбамида (или водный раствор мочевины). Наиболее распространённой его разновидностью является AdBlue, который производится по стандарту ISO 22241 из 32,5 % мочевины высокой степени чистоты и 67,5 % обессоленной воды.
3.2. Валовый выброс NO, NO2, СО до и после использования системы СКВ для очистки выхлопных газов
Расход реагента - 0,3 л/мин;
Расчет проведен на 33 маш/часов.
Таблица 5
Частота вращения ТНД - 3799-4200 об/мин
Наименование загрязняющего вещества Валовый выброс, т Экологический эффект
до очистки после очистки т %
1 2 3 4 5
Реагент - мочевина
NO2 0,154 0,008 0,146 95
NO 0,092 0,005 0,087 95
СО 0,215 0,211 0,004 2
Реагент - аммиачная вода
NO2 0,194 0,020 0,174 90
NO 0,115 0,012 0,103 90
СО 0,208 0,202 0,006 3
Таблица 6
Частота вращения ТНД - 4500 об/мин
Наименование загрязняющего вещества Валовый выброс, т Экологический эффект
до очистки после очистки т %
1 2 3 4 5
Реагент - мочевина
N02 0,257 0,030 0,227 88
N0 0,153 0,018 0,135 88
СО 0,172 0,179 0,007 4
Реагент - аммиачная вода
N02 0,257 0,018 0,239 93
N0 0,153 0,011 0,142 93
СО 0,172 0,183 0,011 6
Таблица 7
Частота вращения ТНД - 5000-5010 об/мин
Наименование загрязняющего вещества Валовый выброс, т Экологический эффект
до очистки после очистки т %
1 2 3 4 5
Реагент - мочевина
N02 0,337 0,099 0,238 71
N0 0,201 0,059 0,142 71
СО 0,163 0,168 0,005 3
Реагент - аммиачная вода
N02 0,335 0,025 0,310 93
N0 0,200 0,015 0,185 93
СО 0,162 0,188 0,026 16
3.3. Сводные данные системы СКВ на ГПА-16 Урал
В дальнейшем была выполнена аппроксимация данных по вышеприведенным результатам для возможности построения зависимости по эффективности работы системы СКВ на трех режимах проведения испытаний для различного расхода реагента.
На рис. 6-8 представлены зависимости концентрации оксидов азота суммарно (в пересчете на NOx) до и после системы СКВ на различных режимах испытаний при изменении расхода реагента впрыском в отходящие газы ГПА.
Установлено, что 100%-ная эффективность очистки отходящих газов от оксидов азота с использованием системы СКВ наблюдается на режиме 0,5 от номинала при всех расходах реагента и на режиме 0,75 от номинала при малых расходах реагента (0,32-0,36 л/мин). В то же время на режиме испытаний 0,75 от номинала достигнут требуемый уровень концентрации после системы СКВ в 50 мг/м (т.е. достигнута
о
концентрация в 43-48 мг/м при расходе реагента 0,47-0,48 л/мин).
0,5 номинала
160.0
140.0
а 12о.о ■
SQ.0
6Û.Û
40.0
о.о
Щ №.0 * 145.0
9 ïlfio
slil
ню
* Мол (до СИВ} ■ 1J3.18 lfli 127ÛÛOO NOn I40CKB) -1ЧОЧпосле СКВ)
0.1
о.:
0.Ï
0.4
о, s
РАСХОД ре лгеалл, л/мин
Рис. 6. Концентрация оксидов азота суммарно до и после системы СКВ в 0,5 от номинального режима работы
160,0 140.0 120.0 100.0 зого 60.0 JO.O
гол 0.0
0,8 номинального режима
о. 1
о.г о,з
р.ка&д ptaretcia, л/мни.
04
■ 149.0 ♦ 1419,0
нцт * ши
— о
* Non Iflfi СКВ) ■ No* I после СКВ)
-'NCULaoCKB)
-NOx( посла СКВ]
Рис. 7. Концентрация оксидов азота суммарно до и после системы СКВ в 0,8 от номинального режима работы
Номинальный режим
200,0
5 180,0
г
160,0
о
140,0
1
¿с 120,0
о
о. 100,0
О г ВО.О
ж
60,0
£ 40.0
ч
30.0
о,о
■ тН'Я
■ 1? ■ 123
■ 84
■ т5>
■ 47 ■
■ ?Й
■ 14 ■ 16
0,4 0,6
Расход реагента, л/мин.
Мои (до СКВ) Мои [после СКВ) -МО» [до СКВ) -ГМОк [после СКВ}
расход реагента, л/мин
Рис. 8. Концентрация оксидов азота суммарно до и после системы СКВ в номинальном режиме работы
На режиме, равном номинальному, эффективная работа системы СКВ наблюдается при увеличении расхода реагента до 0,8-1,0 л/мин. Концентрации NOx (прив. к 15 % О2 в дымовых газах) до 50 мг/м . Всего было выполнено и обработано 17 серий замеров оксидов азота в составе отходящих газов. Замеры были выполнены при одновременном контроле состава отходящих газов до и после системы СКВ, кроме двух серий замеров, выполненных без подачи реагента.
При сопоставлении данных испытаний было установлено:
- на режиме 0,5 от номинала и расходе реагента 0,78 л/мин концентрация оксидов азота суммарно в пересчете на NOx после системы СКВ равнялась 0, что соответствует 100 % эффективности системы очистки отходящих газов;
- на режиме 0,75 от номинала и расходе реагента в диапазоне от 0,395 и 0,89 л/мин концентрация оксидов азота суммарно после систе-
о
мы СКВ варьировалась от 4 до 42 мг/м , что составило 48-96 % эффективности системы очистки отходящих газов;
- на режиме 0,9-1,0 от номинала и расходе реагента в диапазоне 0,49-1,03 л/мин концентрация оксидов азота суммарно после системы СКВ варьировалась в пределах 6-25 мг/м , что соответствует 85-96 % эффективности системы очистки отходящих газов.
При анализе результатов испытаний была выполнена аппроксимация данных по всем полученным результатам для возможности построения зависимости по эффективности работы системы СКВ для различного расхода реагента.
Результаты данных свидетельствуют о подтверждении 100 % эффективности очистки отходящих газов от оксидов азота при применении системы СКВ на режиме 0,5 от номинала при всех расходах реагента. В то же время наблюдается прямая зависимость эффективности (вплоть до 100 %) при увеличении расхода реагента.
Заключение
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. При частоте вращения ТНД ГПА 3799-4200 об/мин эффективность очистки при использовании в качестве реагента «мочевины» выше на 5,3 % в сравнении с использованием в качестве реагента «аммиачной воды».
2. При частоте вращения ТНД ГПА 4500 об/мин эффективность очистки при использовании в качестве реагента «аммиачной воды» выше на 5,3 % в сравнении с использованием в качестве реагента «мочевины».
3. При частоте вращения ТНД ГПА 5000-5010 об/мин эффективность очистки при использовании в качестве реагента «аммиачной воды» выше на 23,6 % в сравнении с использованием в качестве реагента «мочевину».
В целом, согласно полученным результатам, можно сделать вывод, что при увеличении частоты вращения ТНД ГПА эффективность очистки увеличивается при использовании в качестве реагента «аммиачной воды» и снижается при использовании в качестве реагента «мочевины».
В процессе настоящего исследования доказана необходимость разработки следующего алгоритма для подачи реагента по сигналу с системы автоматического управления на вход в форсуночные узлы: через систему форсунок происходит мелкодисперсное распыление реагента, мелкие капли реагента подхватываются потоком выхлопных газов и движутся в сторону катализатора внутри выхлопной системы ГПА. По мере движения капель по диффузору жидкость испаряется, гидролизуется и термолизуется. Одновременно с вышеописанным процессом активируется вентилятор, обеспечивающий протекание части дымовых газов через газоход-термолизатор. За счет тепла дымовых газов мелкие капли реагента испаряются, что обеспечивает подачу смеси дымовых газов с реагентом в выхлопной тракт ГПА через коллектор раздачи термолизованного реагента.
Библиографический список
1. Бочкарев С.В., Петроченков А.Б., Ромодин А.В. Интегрированная логистическая поддержка эксплуатации электротехнических изделий: учеб. пособие. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2009. - 398 с.
2. Петроченков А.Б., Ромодин А.В., Хорошев Н.И. Об одном формализованном методе оценки управленческих решений (на примере управления электротехническими объектами) // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2009. - № 5 (87). - С.166-171.
3. Ахмедов Р.Б., Цирульников Л.М. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. - 2-е изд., перераб. и доп. - Ленинград: Недра; Ленинградское отделение, 1984. - 237 с.
4. Котлер В.Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. - М.: Изд-во ЭАИ, 1987. - 143 с.
5. Гаврилов А.Ф., Горбаненко А.Д., Туркестанова Е.Л. Влияние влаги, вводимой в горячий воздух, на содержание оксидов азота в продуктах сгорания газа и мазута // Теплоэнергетика. - 1983. - № 10. -С. 13-15.
6. Andrews R.L., Siegmund C.W., Levine D.A. Effect of flue gas recirculation in emission from heating oil combustion // Paper №68-21. APCA Meeting. Minneapolis. - 1968.
7. Влияние топочного режима и конструктивных особенностей котельного агрегата на образование окислов азота при сжигании каменных и бурых углей / В.Р. Котлер, С.И. Сучков, В.Д. Суровицкий, Г.В. Лобов // Подготовка и сжигание топлива в крупных энергоблоках. Тр. ВТИ. Вып. 15. - М.: Энергия, 1978. - C. 99-107.
8. Цирульников Л.М., Васильев В.П., Нурмухамедов М.Н. Подавление вредных выбросов при сжигании газа в топках котлов // Обзорная информация. Газовая промышленность. - М.: Недра, 1981. - № 3.
9. Ходаков Ю.С. Оксиды азота и теплоэнергетика. Проблемы и решения. - М: Изд-во ЭСТ-М, 2001. - 432 с.
10. Neuffer В., Laney M. Alternative control techniques document update - nox emissions from new cement kilns. - U.S. Environmental Protection Agency, November. - 2007.
11. Ходаков Ю.С, Еремин Л.М., Алфеев А.А. Современное состояние исследований по денитрификации дымовых газов ТЭС // Известия РАН. - 1997. - № 5. - C. 74-100.
12. Effertz P.H. Steimetz. Prüfung und beurteilung von DeNOx -katalysatoren für die rauchgasreinigung // Der Maschinenschaden. - 1991. -64. - № 5. - P. 189-193.
13. Harmgart S., Meierer M., Fahlke J. Beurteilung von DeNOx-katalysatoren wahrend des kraftwerksbetriebes // VGB Kraftwerkstechnik. -1997. - Bd. 77. - H. 1. - P. 48-52.
14. 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.
15. Integrated exhaust system for simple cycle power plants // Dr. Mark Buzanowski. Energy Tech Magazine. - April. 2011.
16. Katalysatoren aus Eisenoxid erschliessen neue Einsatzfelder / H. Kainer, HE. Buhler, C. Flockerhaus [et al.] // Energie. - 1988. - 10. -P. 56-61.
17. Maier H., Bilger H., Mayer G. Betriebserfahrungen mit der SCRStickminderungstechnik // VGB Kraftwerkstechnik. - 1992. - Bd. 72. -H. 9.8. - P. 796-800.
18. Nitrogen-15 trager Investigation of the mechanism of the reaction of NO and NH3 on vanadium oxyde catalysts / A. Miyamoto, M. Kobayashe, M. Inomata, Y. Murakami // J. phys. Chem. - 1982. - 86. - P. 2945.
19. Reference document on best available techniques for large combustion plants // Integrated Pollution Prevention and Control. - July 2006.
20. Петроченков А.Б. О подходах к оценке технического состояния электротехнических комплексов и систем // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2012. - № 12. - С. 16-21.
21. A method for development of software packages for mathematical simulation of electric power systems / B.V. Kavalerov, A.B. Petrochenkov, K.A. Odin, V.A. Tarasov // Russian Electrical Engineering. - 2015. -Vol. 86, № 6. - P. 331-338. DOI: 10.3103/S1068371215060085
22. Технологии очистки дымовых газов от оксидов азота / Ю.С. Ходаков, А.М. Кузьмин, Л.А. Ширшова [и др.] // Природоохранные технологии ТЭС. - М.: ВТИ, 1996. - С. 63-72.
23. SCR: New and improved // Chemical engineering. - July 2010. -P. 22-23.
24. Simple Cycle SCR Operating Experience / C. Bertole, E. Govey, M. Stockstad, M. Nygard // Power Gen. - 2005.
25. High Temperature SCR systems on frame size combustion turbines' // J. Potter, DOE NOx Conference 2002. - 2002.
26. McTernan T. Improving SCR Performance on Simple-Cycle Combustion Turbines // Power Magazine. - June 2010.
27. Винокур В.М., Кавалеров Б.В., Петроченков А.Б. Программный комплекс для математического моделирования автономных мини-электростанций // Электричество. - 2007. - № 3. - С. 2-7.
28. VDI-Richtlinien 3476. Katalytische Verfahren der Abgasreinigung, VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft. - Band 6. - 1988.
29. Modeling of the Interaction of Structural Elements / B.V. Kavalerov, A.B. Petrochenkov, K.A. Odin, V.A. Tarasov // Russian Electrical Engineering. - 2013. - Vol. 84, № 1. - P. 9-13. DOI: 10.3103/S1068371213010033
30. A short overview of Emission Control Systems for Gas Turbines, SCR DeNOx System // Presentation for NYISO by R. Drake, B. McGinty. -October 2013.
31. Conceptual design and engineering strategies to increase energy efficiency at enterprises: Research, technologies and personnel / A. Lyakhomskii, E. Perfilieva, A. Petrochenkov, S. Bochkarev // IEEE Conference Publications. Proceedings of 2015 IV Forum Strategic Partnership of Universities and Enterprises of Hi-Tech Branches (Science. Education. Innovations). - 2015. - P. 44-47. DOI: 10.1109/IVForum.2015.7388249
References
1. Bochkarev S.V., Petrochenkov A.B., Romodin A.V. Integri-rovannaia logisticheskaia podderzhka ekspluatatsii elektrotekhnicheskikh izdelii [Integrated logistics support for the operation of electrical products]. Perm': Permskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet, 2009, 398 p.
2. Petrochenkov A.B., Romodin A.V., Khoroshev N.I. Ob odnom formalizovannom metode otsenki upravlencheskikh reshenii (na primere upravleniia elektrotekhnicheskimi ob"ektami) [On one formalized method for assessing management decisions (using the example of managing electrical facilities)]. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti Sankt-Peterburgskogo politekhnicheskogo universiteta Petra Velikogo, 2009, no. 5 (87), pp.166-171.
3. Akhmedov R.B., Tsirul'nikov L.M. Tekhnologiia szhiganiia goriuchikh gazov i zhidkikh topliv [Technology of combustion of flammable gases and liquid fuels]. 2nd ed. Leningrad: Nedra; Leningradskoe otdelenie, 1984, 237 p.
4. Kotler V.R. Oksidy azota v dymovykh gazakh kotlov [Nitrogen oxides in boiler flue gases]. Moscow: Ekonomiko-analiticheskii institut, 1987, 143 p.
5. Gavrilov A.F., Gorbanenko A.D., Turkestanova E.L. Vliianie vlagi, vvodimoi v goriachii vozdukh, na soderzhanie oksidov azota v produktakh sgoraniia gaza i mazuta [The influence of moisture introduced into hot air on the content of nitrogen oxides in the combustion products of gas and fuel oil]. Teploenergetika, 1983, no. 10, pp. 13-15.
6. Andrews R.L., Siegmund C.W., Levine D.A. Effect of flue gas recirculation in emission from heating oil combustion. Paper №68-21. APCA Meeting. Minneapolis, 1968.
7. Kotler V.R., Suchkov S.I., Surovitskii V.D., Lobov G.V. Vliianie topochnogo rezhima i konstruktivnykh osobennostei kotel'nogo agregata na obrazovanie okislov azota pri szhiganii kamennykh i burykh uglei [The influence of the combustion mode and design features of the boiler unit on the formation of nitrogen oxides during the combustion of hard and brown coals]. Podgotovka i szhiganie topliva v krupnykh energoblokakh. Trudy VTI. Vypusk 15. Moscow: Energiia, 1978, pp. 99-107.
8. Tsirul'nikov L.M., Vasil'ev V.P., Nurmukhamedov M.N. Podavlenie vrednykh vybrosov pri szhiganii gaza v topkakh kotlov [Suppression of harmful emissions when burning gas in boiler furnaces]. Obzornaia informatsiia. Gazovaiapromyshlennost'. Moscow: Nedra, 1981, no. 3.
9. Khodakov Iu.S. Oksidy azota i teploenergetika. Problemy i resheniia [Nitrogen oxides and thermal power engineering. Problems and solutions]. Moscow: Izdatel'stvo EST-M, 2001, 432 p.
10. Neuffer B., Laney M. Alternative Control Techniques Document Update - NOx Emissions from New Cement Kilns. U.S. Environmental Protection Agency, November, 2007.
11. Khodakov Iu.S, Eremin L.M., Alfeev A.A. Sovremennoe sostoianie issledovanii po denitrifikatsii dymovykh gazov TES [Current state of research on denitrification of flue gases from thermal power plants]. Izvestiia Rossiiskoi akademii nauk, 1997, no. 5, pp. 74-100.
12. Effertz P.H. Steimetz. Prüfung und Beurteilung von DeNOx -Katalysatoren für die Rauchgasreinigung. Der Maschinenschaden, 1991, 64, no. 5, pp. 189-193.
13. Harmgart S., Meierer M., Fahlke J. Beurteilung von DeNOx-Katalysatoren wahrend des Kraftwerksbetriebes. VGB Kraftwerkstechnik, 1997, Bd. 77, H. 1, pp. 48-52.
14. 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.
15. Integrated exhaust system for simple cycle power plants. Dr. Mark Buzanowski. Energy Tech Magazine, April. 2011.
16. Kainer H., Buhler H.E., Flockerhaus C. et al. Katalysatoren aus Eisenoxid erschliessen neue Einsatzfelder. Energie, 1988, 10, pp. 56-61.
17. Maier H., Bilger H., Mayer G. Betriebserfahrungen mit der SCRStickminderungstechnik. VGB Kraftwerkstechnik, 1992, Bd. 72, H. 9.8, pp. 796-800.
18. Miyamoto A., Kobayashe M., Inomata M., Murakami Y. Nitrogen-15 trager Investigation of the mechanism of the reaction of NO and NH3 on vanadium oxyde catalysts. J. phys. Chem., 1982, 86, 2945 p.
19. Reference document on best available techniques for large combustion plants. Integrated Pollution Prevention and Control. July 2006.
20. Petrochenkov A.B. O podkhodakh k otsenke tekhnicheskogo sostoianiia elektrotekhnicheskikh kompleksov i sistem [On approaches to assessing the technical condition of electrical complexes and systems]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Mashinostroenie, 2012, no. 12, pp. 16-21.
21. Kavalerov B.V., Petrochenkov A.B., Odin K.A., Tarasov V.A. A method for development of software packages for mathematical simulation of electric power systems. Russian Electrical Engineering, 2015, vol. 86, no. 6, pp. 331-338. DOI: 10.3103/S1068371215060085
22. Khodakov Iu.S., Kuz'min A.M., Shirshova L.A. et al. Tekhnologii ochistki dymovykh gazov ot oksidov azota [Technologies for cleaning flue gases from nitrogen oxides]. Prirodookhrannye tekhnologii TES. Moscow: VTI, 1996, pp. 63-72.
23. SCR: New and improved. Chemical engineering, July 2010, pp. 22-23.
24. Bertole C., Govey E., Stockstad M., Nygard M. Simple Cycle SCR Operating Experience. Power Gen, 2005.
25. High Temperature SCR systems on frame size combustion turbines'. J. Potter, DOE NOx Conference 2002, 2002.
26. McTernan T. Improving SCR Performance on Simple-Cycle Combustion Turbines. Power Magazine. June 2010.
27. Vinokur V.M., Kavalerov B.V., Petrochenkov A.B. Programmnyi kompleks dlia matematicheskogo modelirovaniia avtonomnykh mini-elektrostantsii [Software package for mathematical modeling of autonomous mini-power plants]. Elektrichestvo, 2007, no. 3, pp. 2-7.
28. VDI-Richtlinien 3476. Katalytische Verfahren der Abgasreinigung, VDI-Handbuch Reinhaltung der Luft, Band 6, 1988.
29. Kavalerov B.V., Petrochenkov A.B., Odin K.A., Tarasov V.A. Modeling of the Interaction of Structural Elements. Russian Electrical Engineering,, 2013, vol. 84, no. 1, pp. 9-13. DOI: 10.3103/S1068371213010033
30. A short overview of Emission Control Systems for Gas Turbines, SCR DeNOx System. Presentation for NYISO by R. Drake, B. McGinty, October 2013.
31. Lyakhomskii A., PerfilievaE., PetrochenkovA., Bochkarev S. Conceptual design and engineering strategies to increase energy efficiency at enterprises: Research, technologies and personnel. IEEE Conference Publications. Proceedings of 2015IVForum Strategic Partnership of Universities and Enterprises of Hi-Tech Branches (Science. Education. Innovations), 2015, pp. 44-47. DOI: 10.1109/IVForum.2015.7388249
Сведения об авторах
Черепанов Никита Александрович (Пермь, Российская Федерация) - аспирант кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: nikita. cherepanow@gmail. com).
Петроченков Антон Борисович (Пермь, Российская Федерация) - доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Микропроцессорные средства автоматизации» Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: petrochenkov@pstu.ru).
About the authors
Nikita A. Cherepanov (Perm, Russian Federation) - Graduate Student of the Microprocessor Units of Automatisation departmen, Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: nikita.cherepanow@gmail.com).
Anton B. Petrochenkov (Perm, Russian Federation) - Doctor of Technical Sciences, Assistant professor, the Chair of the Microprocessor Units of Automatisation department Perm National Research Polytechnic University (614990, Perm, 29, Komsomolsky pr., e-mail: petrochenkov@pstu.ru).
Поступила: 15.05.2023. Одобрена: 03.06.2023. Принята к публикации: 01.09.2023.
Финансирование. Исследование не имело спонсорской поддержки.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов по отношению к статье.
Вклад авторов. Все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку статьи.
Просьба ссылаться на эту статью в русскоязычных источниках следующим образом:
Черепанов, Н.А. Система селективного каталитического восстановления для снижения выбросов NOX газоперекачивающих агрегатов с газотурбинным приводом Топологии и технологии станций быстрой зарядки электромобилей: обзор и сравнение / Н.А. Черепанов, А.Б. Петроченков // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2023. - № 46. - С. 219-243. DOI: 10.15593/2224-9397/2023.2.10
Please cite this article in English as:
Cherepanov N.A., Petrochenkov A.B. Selective catalytic recovery system to reduce NOx emissions of gas turbine drive gas compressor units. Perm National Research Polytechnic University Bulletin. Electrotechnics, information technologies, control systems, 2023, no. 46, pp. 219-243. DOI: 10.15593/2224-9397/2023.2.10
