CC BY
67ГАЗОТУРБИННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
GAS-TURBINE TECHNOLOGIES
Статья поступила в редакцию 15.07.13. Ред. рег. № 1724 The article has entered in publishing office 15.07.13. Ed. reg. No. 1724
УДК 547.21; 536.46
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К СОЗДАНИЮ НИЗКОЭМИССИОННЫХ
КАМЕР СГОРАНИЯ ГТУ
В.С. Арутюнов, В.М. Шмелев, А.Н. Рахметов, О.В. Шаповалова,
А.А. Захаров, А.В. Рощин
ФГБУН Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН 119991, Москва, ул. Косыгина, 4 Тел. +7 (495) 939-7287; факс: (495) 651-2191, e-mail: arutyunov@chph.ras.ru
Заключение совета рецензентов 17.07.13 Заключение совета экспертов 19.07.13 Принято к публикации 22.07.13
Рассмотрена возможность создания принципиально нового типа камеры сгорания (КС) для ГТУ, процесс горения в которой изначально ориентирован на достижение минимального уровня выброса вредных веществ. В качестве прототипа такой камеры сгорания приняты низкоэмиссионные горелочные устройства на основе проницаемых объемных матриц, сочетающие отличные эмиссионные характеристики с высокой эффективностью конверсии различных типов топлива и высоким удельным энерговыделением.
Ключевые слова: газотурбинные установки, камеры сгорания, снижение выбросов, поверхностное горение, объемные проницаемые матричные горелки.
NEW APPROACHES TO DEVELOPMENT OF LOW-EMISSION COMBUSTION CHAMBERS FOR GAS TURBINE ENGINES
V.S. Arutyunov, V.M. Shmelev, A.N. Rakhmetov, O.V. Shapovalova,
A.A. Zakharov, A.V. Roschin
Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences 119991, Moscow, Kosygina, 4 Phone: +7 (495) 9397287, fax: +7 (495) 6512191, e-mail: arutyunov@chph.ras.ru
Referred 17.07.13 Expertise 19.07.13 Accepted 22.07.13
The paper analyzes the possibility to develop principally new type of combustion chambers for gas turbine engines, the combustion process in which is primarily aimed to obtain the minimal emission of detrimental substances. As a prototype of such combustion chamber is chosen low-emission combustor, based on permeable volumetric matrix. Such combustors combine perfect emission characteristics with high efficiency in conversion of different types of fuel and high specific release of energy.
Keywords: gas turbine engines, combustion chambers, decreasing of pollution, surface combustion, volumetric permeable matrixes.
Владимир Сергеевич Арутюнов
Сведения об авторе: доктор химических наук, профессор, заведующий Лабораторией окисления углеводородов ФГБУН Института химической физики им. Н.Н. Семенова, РАН
Сведения об авторе: доктор физико-математических наук, профессор, заведующий Лабораторией горения ФГБУН Института химической физики им. Н. Н. Семенова, РАН
Владимир Михайлович Шмелев
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Аян Нурумович Рахметов
Сведения об авторе: аспирант ФГБУН Института химической физики им. Н.Н. Семенова, РАН
Оксана Вячеславовна Шаповалова
Сведения об авторе: научный сотрудник ФГБУН Института химической физики им. Н.Н. Семенова, РАН
Сведения об авторе: научный сотрудник ФГБУН Института химической физики им. Н. Н. Семенова, РАН
Александр Алексеевич Захаров
Введение
Газотурбинные двигатели (ГТД) и стационарные газотурбинные установки (ГТУ), благодаря своей компактности, высокой удельной мощности, энергоэффективности, экономичности и
оперативности, стали одним из основных типов энергоприводов для авиации, наземного транспорта и энергетики. В течение десятилетий повышение именно этих качеств было движущей силой прогресса в разработке новых газотурбинных приводов. Сейчас дальнейшее совершенствование ГТУ и, прежде всего, их камер сгорания (КС) связано с необходимостью удовлетворять постоянно возрастающие требования к уровню выброса вредных веществ, а также возможностью использования в ГТУ топлив более низкого качества.
t.'C
d -i in г
1200
I ООО
eoo
600
я
Лнршцпоняые
ггд
I JpOttbUlL'ltKHblf ГТД
f
Сведения об авторе: доктор технических наук, профессор, заместитель директора ФГБУН Института химической физики им. Н.Н. Семенова, РАН
Александр Алексеевич Рощин
Ведущие производители газовых турбин стремятся повысить их характеристики за счет улучшения параметров цикла, совершенствования технологий горения для снижения выбросов оксидов азота и углерода, применения альтернативных видов топлива, внедрения программ улучшения уже созданной продукции. Результаты реализации этих усилий можно проследить по изменению основных параметров ГТУ: температуры газов после камеры сгорания и степени повышения давления (рис. 1). Эти параметры из года в год растут, обеспечивая повышение экономичности установок. Но по мере нарастания экологических проблем и вызванного этим ужесточения норм экологического регулирования, возникла необходимость
кардинального улучшения эмиссионных
характеристик ГТУ.
2rt(Hi I о л
19-40 Ш0 mil 2000 ГОД
Рис. 1. Тенденции изменения параметров ГТУ а - температура газов; б - степень повышения давления Fig. 1. Tendencies in the development of operational characteristics of gas turbine engines a - temperature of gases; b -extent of pressure enhancement
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06 (128) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
В 90-х годах прошлого века основным способом снижения МОх был впрыск пара. Современные ГТД имеют, как правило, «сухие» малоэмиссионные камеры сгорания (КС). Ведутся разработки каталитических преобразователей, но стоимость их очень высока. Таким образом, все предлагавшиеся до сих пор решения проблемы создания малоэмиссионных газовых турбин основывались на различных модификациях процесса горения в камерах сгорания ГТУ, не затрагивая основных принципов его организации.
В данной работе рассмотрена возможность создания принципиально нового типа камеры сгорания для ГТУ, процесс горения в которой изначально ориентирован на достижение минимального уровня вредных выбросов в процессе горения и основан на других принципах, нежели факельное сжигание топлива в традиционных камерах сгорания. Ориентация на создание нового типа камеры сгорания оправдана широким распространением наземных газотурбинных установок, к которым предъявляются требования, существенно отличающиеся от тех, которые характерны для авиационных двигателей. Как показывает практика, коэффициент преемственности конструкции ГТД, конвертированного в ГТУ, редко превышает значение 0,7... 0,8. Причем среди наиболее трудоемких конструктивных изменений, помимо тех, которые направлены на обеспечение выполнения требований по ресурсу, надежности и безопасности эксплуатации, разработка камеры сгорания с необходимыми экологическими характеристиками занимает одно из главных мест. Поэтому разработка специальной низкоэмиссионной КС для энергетических ГТУ представляется уже давно назревшей необходимостью.
Механизм образования вредных выбросов при работе ГТУ
Газотурбинная установка (ГТУ) состоит из трех основных элементов: воздушного компрессора, камеры сгорания (КС) и газовой турбины. Термин ГТУ обычно относят к стационарным машинам, а авиационные и транспортные газотурбинные двигатели называют ГТД. При работе ГТУ забирает компрессором воздух из атмосферы, который затем при повышенном давлении подают в камеру сгорания, куда одновременно подводят жидкое или газообразное топливо, и где происходит его сгорание в изобарических условиях. К выходящим из камеры продуктам сгорания подмешивают дополнительное количество воздуха для снижения их температуры. Получающийся после смешения газ поступает в газовую турбину, в которой, расширяясь, совершает работу, а затем выбрасывается в атмосферу. Развиваемая газовой турбиной мощность частично расходуется на привод компрессора, а оставшаяся
часть является полезной мощностью газотурбинной установки.
При всем многообразии конструкций камер сгорания ГТУ они имеют общие основные узлы и элементы, представленные на рис. 2. Основным несущим элементом камеры является корпус (3), который воспринимает внутреннее давление, а нанесенная на него внешняя изоляция обеспечивает достаточно низкую наружную температуру. Внутри камеры происходит разделение входящего воздуха на два потока. Первый поток поступает во фронтовое устройство с завихрителем (2), расположенное на входе в жаровую (пламенную) трубу (4). Второй поток подводится к жаровой трубе через кольцевые каналы, образованные наружными стенками жаровой трубы и внутренними стенками корпуса, и поступает внутрь жаровой трубы через отверстия (5). Топливоподающее устройство (1) размещается на входной части жаровой трубы.
Рис. 2. Схема камеры сгорания. 1 - топливная форсунка, 2 - воздушный завихритель, 3 - наружный корпус; 4 - жаровая труба, 5 - отверстия в жаровой трубе, 6 - первичная зона, 7 - промежуточная зона, 8 - зона смешения
Fig. 2. Scheme of combustion chamber. 1 - fuel-injection nozzle, 2 - air swirler, 3 - external case, 4 - flue tube, 5 - holes in flue tube, 6 - primary zone, 7 - intermediate zone, 8 - mixing zone
Объем жаровой трубы можно условно разделить на три части: первичную зону горения (6), промежуточную зону (7) и зону смешения (8). В первичной зоне горения должны быть обеспечены условия для стабилизации пламени, а также необходимое время пребывания топливно-воздушной смеси (ТВС), температура продуктов сгорания и интенсивность турбулентности потока. Эти требования определяются необходимостью достижения высокой полноты сгорания топлива. Промежуточная зона (7) предназначена для завершения процесса сгорания топлива. Она является продолжением первичной зоны горения и позволяет увеличить время пребывания газов при высокой температуре. Регулируемый подвод воздуха в зону горения по длине жаровой трубы предотвращает преждевременное охлаждение газа и замораживание химических реакций. Этим обеспечивается достижение максимальной полноты сгорания топлива.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Избыточный воздух, который не участвует в горении топлива и охлаждении стенок, подается в зону смешения жаровой трубы через один или несколько рядов отверстий (5) в стенках жаровой трубы и идет на разбавление продуктов сгорания для получения рабочих газов с заданной температурой. Размеры и форма отверстий оптимизируются по глубине проникновения струй и эффективности их смешения с потоком газа. В зоне смешения окончательно формируется средняя температура газа на входе в турбину, радиальная эпюра и температурная неравномерность в выходном сечении камеры сгорания.
В стационарных ГТУ в настоящее время часто применяют выносные камеры сгорания, конструкция которых позволяет сократить объем и время наладочных работ и обеспечивает возможность сжигания широкой гаммы жидких и газообразных топлив. Такие камеры удобны для осмотров и при замене не требуют разборки двигателя. Следует отметить, что создание камеры сгорания с удовлетворительными характеристиками, надежно работающей в течение заданного ресурса, требует проведения большого объема экспериментально-доводочных работ. Поэтому при проектировании КС для вновь разрабатываемых двигателей стремятся в максимальной степени использовать опыт проектирования и доводки предшествующих образцов и без особой необходимости не отходить от хорошо зарекомендовавших себя прототипов.
Топливом для современных ГТУ являются жидкие и газообразные углеводороды, содержание экологически проблемных примесей в которых, в том числе серы, в настоящее время жестко регламентируется, поэтому проблема снижения их эмиссии относится к вопросам производства топлив, а не энергетического оборудования. Экологические проблемы, возникающие при эксплуатации ГТУ, связаны с вредными выбросами, образующимися непосредственно в процессе горения углеводородных топлив в атмосфере: оксидами азота МОх, оксидом углерода СО и несгоревшими углеводородами СхНу, в том числе полиароматическими углеводородами (ПАУ), а также сажей.
Основными факторами, влияющими на образование и выброс с отработавшими газами вредных веществ являются температура и время пребывания компонентов топливно-воздушной смеси в КС, качество распыления топлива и степень однородности ТВС, поступающей в камеру. Существенное влияние на уровень образования вредных выбросов оказывают также температура и давление на входе в камеру сгорания, вид используемого топлива, тип охлаждения стенок жаровой трубы, концентрация кислорода, азота и других компонентов в зоне горения.
Оксиды азота NOx относятся к наиболее опасным антропогенным выбросам, являющимся
одной из главных составляющих фотохимического смога. Для тепловых электростанций и газоперекачивающих компрессорных станций, работающих на природном газе, они являются главным фактором поражения экосистем. Хотя оксиды азота имеют высокий коэффициент поглощения в ИК-области спектра и могут быть отнесены к парниковым газам, они слабо влияют на глобальный радиационный баланс из-за малого времени жизни в атмосфере (4-5 суток). Они эффективно выводятся из атмосферы путем сухого и влажного осаждения, а также быстро, в течение всего нескольких суток, окисляются в NO3-. Но их возрастающая эмиссия приводит к увеличению концентрации аэрозольных частиц и озона в тропосфере. А главное, эти газы ответственны за возрастающую кислотность осадков. Согласно наблюдениям, это уже оказывает заметное негативное влияние на хвойные леса, что, в свою очередь, может привести к более быстрому росту концентрации СО2 в атмосфере. Поэтому снижение эмиссии NOx стационарными ГТУ и транспортными ГТД является одной из важнейших глобальных экологических проблем.
В дымовых газах энергетических агрегатов электростанций с расходом газа 25-32 тыс. м3/ч уровень концентрации оксидов азота составляет 400800 мг/м3, а в более мощных агрегатах с расходом газа 35-80 тыс. м3/ч он увеличивается до 7001500 мг/м3 [1]. Из трех основных кинетических механизмов образования оксидов азота при горении углеводородных топлив: термического (механизм Зельдовича), prompt NOx (механизм Фенимора) и топливного NOx, основную роль при горении природного газа играет термический механизм [2]. Этот механизм описывается двумя основными реакциями
N2 + O = NO + N, (1)
N + O2 = NO + O, (2)
и имеет сильную температурную зависимость. Образование «термического» NO резко снижается при температурах горения ниже 1800 К, поэтому снижение температуры горения - один из наиболее действенных методов снижения концентрации NOx в дымовых газах.
Расчет кинетики образования NO в зоне ламинарного пламени стехиометрической метан-воздушной смеси при T0=293 K и Р=1 атм. [3] (рис. 3) показывает, что рост объемной доли NO в пламени происходит в две стадии: сначала наблюдается очень быстрый рост (до ~24 ppm), связанный с образованием prompt («быстрого») NO по механизму Фенимора вследствие реакций между молекулярным азотом и радикалами CH и CH2, сменяющийся затем медленным накоплением NO по механизму Зельдовича с достижением при
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06 (128) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
достаточно большом времени термодинамически равновесной концентрации N0, составляющей от нескольких сотен до нескольких тысяч ррт.
25 ■
20 ■
Е а. а.
О 15
Promt NO
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
x, mm
Рис. 3. Расчет кинетики образования NO в зоне ламинарного пламени стехиометрической метан-воздушной смеси при Г0=293 K и Р=1 атм. Взят начальный период времени, на котором преобладает механизм образования prompt NO [3]
Fig. 3. Calculated kinetics of No formation in a zone of laminar flame of stoichiometric methane-air mixture at T0=293 K and P=1 atm. Analysis of the initial period of time with prevailing formation of prompt NO [3]
Таким образом, при высокотемпературном горении в условиях, характерных для современных ГТУ, концентрация NO уже во фронте пламени достигает десятков ppm. Причем при факельном сжигании даже обеднение смеси не гарантирует заметного снижения концентрации NO из-за возникновения локальных зон повышенной температуры и богатой смеси. Если же не обеспечено достаточно быстрое снижение температуры продуктов сгорания, то за счет приближения к термодинамическому равновесию по механизму Зельдовича концентрация NO может достигнуть сотен ppm.
Оксид углерода СО при горении топлива в ГТУ образуется вследствие:
• нехватки кислорода при возникновении в процессе факельного горения локальных зон богатых смесей;
• диссоциации CO2 при высоких температурах (в равновесной стехиометрической смеси при Р=2 МПа и Т=2350 К содержится около 1,5% СО);
• наличия холодного пристеночного слоя в традиционной схеме заградительного охлаждения стенок жаровой трубы.
В последних двух случаях снижение концентрации CO пытаются добиться за счет доокисления CO в после-пламенных зонах без использования традиционной системы охлаждения. Окисление CO идет относительно медленно, и именно скорость окисления CO является фактором,
определяющим выбор времени пребывания (длины камеры), необходимого для завершения реакций горения. Термодинамически равновесные концентрации СО заметно ниже образующихся в зоне горения, поэтому выход СО определяется, в первую очередь, организацией процессов в камере сгорания.
Методы снижения вредных выбросов в камерах сгорания ГТУ
В настоящее время в большинстве стран мира установлены государственные стандарты чистоты атмосферного воздуха. Как правило, они разработаны с учетом рекомендаций Всемирной организации по вопросам здравоохранения при ООН (ВОЗ), хотя могут от них отличаться. В России предельно допустимая концентрация (ПДК) N0 в атмосфере при суточной экспозиции составляет 60 мкг/м3 [4].
Образование «термического» N0 в процессах горения резко снижается, если температура горения ниже 1800 К, поэтому снижение температуры горения - один из наиболее действенных методов снижения концентрации N0x в дымовых газах. Для этого применяются различные методы, включая создание зон горения со значительным отклонением смеси горючее-окислитель от стехиометрического состава, разбавление реагентов водяным паром и частичную рециркуляцию дымовых газов [1, 2, 4, 5]. Однако стоимость затрат на реализацию этих мер очень высока. При снижении концентрации N0x на 50%, затраты на соответствующую модификацию составляют от 5 до 50 долларов на кВт мощности горелочного устройства [2].
Рециркуляция продуктов сгорания в зону горения является одним из наиболее изученных и распространенных методов снижения количества образующихся оксидов азота. Рециркуляция газов в топочную камеру в настоящее время широко применяется в топочной технике, причем подмешивание 20% рециркулируемых газов в дутьевой воздух позволяет в два раза снизить выход оксидов азота [1].
Ступенчатое сжигание топлива - один из наиболее широко используемых и действенных методов снижения выбросов N0x. Несмотря на разнообразие возможных технических решений, на практике используют в основном двух- и трехступенчатое сжигание. При двухступенчатом сжигании через горелки подается богатая смесь топлива с воздухом (значение коэффициента избытка окислителя а<1), а остальное количество воздуха, необходимое для сжигания топлива, подается далее на одном или нескольких уровнях по длине факела. Таки образом, важнейшей особенностью ступенчатого сжигания является наличие восстановительной зоны. Этот основополагающий принцип - формирование в факеле восстанови-
30
10 -
5 -
0
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
тельной зоны - в настоящее время широко применяется при разработке малотоксичных горелок [4].
Селективное некаталитическое восстановление оксидов азота используют для более глубокого снижения эмиссии МОх. В их основе лежит реакция взаимодействия оксидов азота с аммиаком, образующимся при разложении или гидролизе различных соединений (мочевины, циануровой кислоты, меламина, формамида и др.). Преимущества этой технологии - низкие капиталовложения и металлоемкость. Недостаток -сравнительно узкий интервал температур (температурного «окна»), в котором технология эффективна [4]. Брутто-уравнение этого процесса
4NO + 4NH3 + O2 ^ 4N2 + 6H2O.
(3)
Селективное некаталитическое окисление МО до МО2 с улавливанием последнего в мокрых скрубберах может рассматриваться как другой вариант химического удаления МОх. Введение в дымовые газы в температурном интервале от 320 до 820оС метанола приводит к окислению оксида азота в диоксид азота по реакциям:
СН3ОН + ОН = СН2ОН + Н2О, (4)
СН2ОН + О2 = СН2О + НО2, (5)
но2 + МО = он + да2, (6)
а последний затем может улавливаться в скрубберах [6]. Процесс имеет «температурное окно» в районе 575оС, в котором возможно снижение концентрации МО до нескольких процентов от начального уровня. Необходимое количество метанола примерно равно содержанию N0 в дымовых газах, т.е. около 0,1% от их объема. Согласно оценкам, метод в три раза дешевле селективного каталитического
восстановления [7].
При селективном каталитическом
восстановлении МОх аммиаком денитрификация протекает в присутствии катализаторов при температурах 120-500оС. Последние обычно размещаются в специальном реакторе, позволяющем обеспечить постоянство температуры, оптимальное соотношение МН3/М0х и необходимое время реакции. Разработаны катализаторы, позволяющие использовать в процессе каталитического восстановления углеводороды вместо токсичного аммиака.
Добавление паров воды к метан-воздушным и метан-водород-воздушным смесям благодаря высокой теплоте парообразования воды и высокой теплоемкости ее паров сильно понижает их температуру горения и, соответственно, образование МОх. Но при этом одновременно сильно снижается значение нормальной скорости распространения
ламинарного пламени вплоть до прекращения процесса горения. При концентрации воды 40% распространение ламинарного пламени становится невозможным.
К камерам сгорания современных энергетических ГТУ предъявляется ряд жестких требований, предполагающих сбалансированное решение проблем экологической безопасности,
эксплуатационной надежности и экономической целесообразности конструкции. В настоящее время действуют жесткие требования по нормированию эмиссии МОх и СО в выхлопе ГТУ в широком диапазоне изменения их мощности от 50% до номинальной. Прослеживается тенденция к дальнейшему снижению допустимых норм на выброс вредных газов. Нормирование выбросов вредных веществ конкретных ГТУ производит заказчик, основываясь, как правило, на национальных нормативных документах. В Российской Федерации действует ГОСТ 28775-90 для газоперекачивающих агрегатов с газотурбинными приводами и ГОСТ 29328-92 для газотурбинных установок привода
электрогенераторов. В ОАО «ГАЗПРОМ» принят стандарт организации СТО ГАЗПРОМ2-3,5-038-2005, предназначенный для определения показателей выбросов вредных веществ ГТУ и соответствия их требованиям нормативных документов.
Обычно ОАО «ГАЗПРОМ» требует при создании новых и модернизации существующих ГТУ снижения выброса МОх до уровня 50 мг/м3, а СО - от 100 до 300 мг/м3. Энергетики в настоящее время устанавливают более жесткие нормы: 50 мг/м3 и по МОх и по СО при работе на природном газе в рабочем диапазоне мощности (0,5.1,0) Жном. Рис. 4 показывает динамику снижения выбросов оксидов азота ГТУ за последние 30 лет.
200
160
(20 ■
80-
Уровонь выбрОООв NO«
40 ■
1970
Впрыск веды \ \ Ctxf- U&WOUMXKMI«*
\ \ имрасщвм«
Кятагатиеская камере сшрвния —-----^ —
1-1 s^.- 1 —
1980
1990
2000
Гад
Рис. 4. Динамика снижения выбросов NOx (в ppm) современными ГТУ [8] Fig. 4. Dynamics of NOx emission decrease in modern gas turbine engines [8]
Концентрацию CO можно значительно снизить за счет правильной организации горения с доокислением CO в после-пламенных зонах. Этот процесс идет относительно медленно, особенно в условиях малоэмиссионных камер сгорания, и именно скорость окисления CO является основным фактором, определяющим выбор времени
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06 (128) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
пребывания (длины камеры), необходимого для завершения горения. Методы снижения выброса С0 основаны на представлениях о физико-химических закономерностях его образования:
• обеспечение в зоне горения состава смеси близкого к а=1,1...1,3;
• увеличение объема зоны горения и времени пребывания в ней продуктов горения, что особенно актуально для топливно-воздушных смесей с а >1,3;
• если в зоне горения а >1,3, то необходимо стремиться к диффузионному горению, т. е. компоненты подавать в камеру раздельно, предварительно их не перемешивая.
Однако перечисленные методы приводят к резкому увеличению образования N0х, поэтому их невозможно реализовать полностью. Только в очень узком диапазоне температур пламени Гпл=1750-1850 К можно одновременно добиться требуемых уровней выбросов N0х и С0. В конечном итоге, большинство непростых технических решений направлены на то, чтобы обеспечить нужный уровень температур пламени во всем объеме зоны горения, исключив «горячие» локальные области на номинальном режиме. Еще сложнее удержать этот уровень во всем рабочем диапазоне мощностей ГТУ [9]. Поэтому основные усилия по снижению выбросов ГТУ направлены именно на снижение эмиссии N0х. Главными факторами, влияющими на концентрацию N0х, являются температура в зоне реакции и время пребывания топливно-воздушной смеси в области высоких температур Гг>1750 К, при которых в результате окисления азота воздуха образуется NО, составляющий основную часть образующихся NОх.
Среди основных мер снижения эмиссии N0х -гомогенизация смеси, предварительное смешивание топлива с воздухом для исключения локальных зон повышенных температур и организация горения "бедной" топливовоздушной смеси. Однако при традиционной организации горения, снижение температуры горения ниже 1600 К может привести к повышению концентрации окиси углерода СО и сужению диапазона устойчивого горения бедной смеси. Следовательно, малоэмиссионная камера сгорания должна удовлетворять ряду противоречивых требований: обеспечивать низкие выбросы N0х и СО, надежный запуск, устойчивое горение на пониженных режимах работы ГТУ и др.
Снижение эмиссии N0x за счет сжигания более бедных смесей ограничивается узким концентрационным диапазоном распространения пламени в углеводород-воздушных смесях. Один из популярных методов решения этой проблемы -расширение концентрационных пределов за счет добавки водорода к углеводородному топливу. Обогащение сжигаемого природного газа 10-15% водорода рассматривается как один из наиболее привлекательных с экономической точки зрения
методов снижения эмиссии N0x газовыми турбинами. Концепция использования метан-водородных смесей привлекательна еще и тем, что водород рассматривается как потенциальный универсальный энергоноситель в будущей безуглеродной («водородной») энергетике, и такой постепенный переход к его более широкому использованию снимает многие проблемы переходного периода.
Поскольку производство дешевого водорода все еще остается сложнейшей технологической задачей, большой популярностью пользуется концепция частичной конверсии топлива в синтез-газ за счет химической рекуперации тепла выхлопных газов. Это позволяет одновременно улучшить эмиссионные характеристики агрегатов, экономичность и устойчивость их работы. При этом основной выигрыш в эффективности достигается именно за счет расширения пределов устойчивого горения бедных смесей. Предложено и исследовано большое число различных устройств для конверсии в синтез-газ жидких и газообразных топлив [10], в т.ч. для применения в газовых турбинах. Однако расчет нормальных скоростей горения метан-водородных смесей при нормальных условиях [11] показал, что для достижения реального эффекта требуется конверсия в водород более половины подаваемого метана.
Применение каталитических КС позволяет сжигать ТВС с содержанием топлива ниже «бедного» предела распространения пламени, а значит и при достаточно низких температурах. Так как выброс N0x зависит от температуры экспоненциально, то и его величина уменьшается на несколько порядков. Но применение каталитических камер сгорания сдерживается высокой стоимостью и сложностью их конструкций, неотработанностью технологии производства катализаторов,
сложностью запуска и обслуживания. Для начала эксплуатации каталитического реактора его необходимо прогреть с помощью воспламенения ТВС в зоне перед реактором или с помощью электрического подогревателя или оснащать его пусковой горелкой. Кроме того, существует опасность самовоспламенения топлива перед каталитической решеткой. Поэтому требуется дальнейшее совершенствование конструкции, повышение эффективности катализатора и периода его активности в среде продуктов сгорания.
Одна из возможностей улучшения экологических характеристик ГТУ - использование каталитических нейтрализаторов аналогичных используемым в двигателях внутреннего сгорания. Так датская компания «Хальдер Топсе А/О» с 1990 г. выпускает установки каталитической очистки выхлопных газов стационарных дизельных двигателей и газовых турбин. Недостатком таких установок являются их большие габариты и необходимые для монтажа площади. Установка
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
нейтрализации автономна и служит дополнением к системе низкоэмиссионного сжигания топлива.
Одним из вариантов решения проблемы снижения вредных выбросов ГТУ остается впрыск водяного пара. Однако для этого требуется довольно сложный процесс водоподготовки и дополнительное громоздкое оборудование. Несмотря на технологическую сложность, этот метод достаточно широко используется в зарубежных ГТУ. Впрыск воды (водяного пара) в КС позволяет за счет ее более высокой, чем у продуктов сгорания, удельной теплоемкости забрать при ее прогреве до температуры газов значительную часть тепла. В результате температура в зоне реакции понижается, обеспечивая пониженную эмиссию оксидов азота. При этом важно обеспечить хорошее смешение пара с топливом и воздухом.
Однако наряду со снижением эмиссии N0^ ввод в зону горения водяного пара негативно влияет на другие характеристики КС. Это касается, прежде всего, интенсивности и полноты выгорания топлива из-за снижения скорости распространения пламени и температуры в зоне горения. Значительно возрастает содержание продуктов неполного сгорания углеводородов, прежде всего СО. Подача в камеру воды или пара влияет и на устойчивость процесса горения. Склонность к вибрационному горению при этом растет, а диапазон режимов устойчивой работы камеры (диапазон устойчивого горения по предельным (срывным) составам смеси) существенно снижается. Впрыск воды или пара в ГТУ приводит к существенному возрастанию трудозатрат как при строительстве, так и при эксплуатации системы. Поэтому такой способ снижения выброса N0x имеет смысл только на действующих ГТУ в рамках их реконструкции. Помимо усложнения конструкции самой ГТУ это требует дорогостоящих систем водоподготовки. Во многих случаях снижение эмиссии N0x в газовых турбинах добавлением водяного пара неприемлемо из-за значительного возрастания эмиссии СО.
Таким образом, несмотря на определенные успехи последних лет и большое число предложенных методов, дальнейшее снижение выбросов ГТУ с факельным сжиганием топлива достигается за счет непомерного усложнения и удорожания оборудования. В условиях, когда уровень выброса вредных веществ становится одним из главных факторов, определяющих коммерческий успех на рынке газотурбинного оборудования, нужны принципиально новые решения.
Малоэмиссионные горелочные устройства на основе проницаемых объемных матриц
Новым подходом к созданию малоэмиссионных камер сгорания ГТУ является принципиальный отказ от факельного сжигания топлива в турбулентном потоке со ступенчатой подачей воздуха и сложной
системой охлаждения газов и переход на беспламенное ламинарное сжигание вблизи поверхности проницаемой для газа объемной матрицы. При этом развитая поверхность объемной матрицы заменяет развитую поверхность пламени при турбулентном горении в факеле традиционной КС, а обратная тепловая связь через поверхность матрицы заменяет обратную конвекционную связь в турбулентном потоке.
Матричное сжигание топлива принципиально отличается от каталитического сжигания, т.к. процесс горения протекает в газовой фазе над поверхностью матрицы, которая играет роль химически нейтрального теплоносителя,
рекуперирующего часть тепла химической реакции горения для подогрева входящей в зону реакции топливно-воздушной смеси. В отличие от каталитического сжигания, при сжигании топлива над поверхностью матрицы продукты сгорания не взаимодействуют с твердой поверхностью, что снимает многие проблемы, свойственные каталитическому сжиганию и ограничивающие его более широкое применение.
Из-за сильного конвективно-радиационного теплоотвода из зоны химического превращения в тело матрицы горение в таком устройстве происходит при значительно более низкой температуре, чем при факельном сжигании. Часть тепловой энергии зоны пламени переходит в энергию ИК-излучения с поверхности нагретой матрицы. Это свойство матричного сжигания газовоздушных смесей используется для организации мощных радиационных потоков в технологических процессах нагрева. Из-за снижения температуры в десятки раз снижается концентрация оксидов азота. Теоретические и экспериментальные исследования горения газовых смесей в ИК горелочных устройствах с плоской проницаемой матрицей представлены, например, в [12-18].
Но горение на плоской матрице (рис. 5б) приводит к низкой удельной мощности на единицу поверхности и высокой концентрации продуктов неполного окисления, прежде всего СО, а также ограниченному диапазону регулирования мощности горения. Тепловая мощность, снимаемая с единицы поверхности матрицы, ограничивается областью устойчивого горения и, как правило, не превышает 30 Вт/см2. В то же время интенсивность тепловыделения с единицы фронта ламинарного пламени при горении метан-воздушной смеси стехиометрического состава достигает 100 Вт/см2. В условиях факельного сжигания газа площадь фронта пламени намного превышает площадь выходного сечения горелки (рис. 5а). Поэтому переход от плоской матрицы (рис. 5б) к объемной (рис. 5в) позволяет увеличить мощность горения. Объемная матрица в виде глубокой полости (рис. 5г) позволяет реализовать новое качество горения. Образуется как бы инверсный факел, в котором газовая смесь
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06 (128) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
втекает в объемный фронт пламени, а продукты сгорания вытекают через горло горелки. Преимущества такой организации горения в том, что значительная часть излучения запирается в полости матрицы, приводя к увеличению температуры ее поверхности, т.е. дополнительному разогреву смеси. А химические реакции протекают более полно из-за увеличения времени пребывания реагентов в зоне высокой температуры внутри полости матрицы.
б
Рис. 5. Различные формы фронта пламени: факел открытого пламени (а), пламя над поверхностью проницаемой матрицы: плоской (б), выпуклой (в), вогнутой (г).
Fig. 5. Different forms of flame front: open torch flame (а); flame above the surface of permeable matrix: plane matrix (б), convex matrix (в), concave matrix (г).
Таким образом, горелочные устройства с объемной матрицей дают следующие преимущества [19-22]:
• Расширение области устойчивого горения и диапазона регулирования по мощности.
• Возможность сжигания смесей очень бедного и очень богатого состава, а также низкокалорийных топлив, например, биогаза.
• Снижение выброса СО в результате более высокой полноты сгорания.
• Увеличение мощности горелки выходного сечения.
• Повышение устойчивости горения.
Применение объемных матриц в
устройствах дает возможность использовать преимущества поверхностного горения, одновременно устраняя основные недостатки плоских матриц. В несколько раз повышается удельная интенсивность выделения энергии и значительно, ниже допустимых норм, снижаются выбросы монооксида углерода при сохранении низкого уровня образования оксидов азота. В глубокой объемной матрице с площадью выходного сечения, значительно меньшей внутренней площади полости матрицы, способны гореть очень бедные и очень богатые смеси, лежащие вне стандартных пределов горения.
Материалом для изготовления объемной матрицы может быть как проницаемая керамика с регулярной структурой (т.е. пронизанная каналами), так и пенокерамика с однородными порами. Большой интерес представляет использование материалов из
металло-ткани, изготовленной из металлической нити (metal fiber - MF) [23-24] или слабо спрессованной тонкой нихромовой проволоки ([2122], а также высокопористой металлической пены (ВМП) - эквивалента пенокерамики [25-27]).
На рис. 6 представлены объемные матрицы с использованием металло-ткани из металлической нити (metal fiber) - MF матрицы (рис. 6а), металлической (нихромовой) сетки (рис. 6б), составная матрица из сетки (рис. 6в), из слабо спрессованной тонкой нихромовой проволоки -метало-прессованные (МП) матрицы (рис. 6г), а также комбинированная матрица, наружный слой которой состоит из проницаемой керамики, а тонкий внутренний вкладыш - из металлического пористого материала (рис. 6д).
с единицы
горелочных полностью
г д
Рис. 6. Образцы модельных объемных матриц из металлических материалов Fig. 6. Samples of model volumetric matrixes made of different metallic materials
Закономерности горения природного газа были исследованы в глубокой керамической матрице из пяти керамических плиток фирмы Rauschert размером 92х132х12,5 мм с диаметром отверстий 1,39 мм в виде прямоугольного параллелепипеда [2829]. Размер рабочей полости составлял 90х66х130 мм, площадь горения S0=436 см2, отношение площади рабочей поверхности матрицы S0 к площади выходного сечения матрицы S1 y=S0/S1=7,3 (рис. 7а). Матрица помещалась в корпус горелочного устройства размером 155х125х190 мм. Эксперименты с горелочным устройством другой геометрии (рис. 7б) дали идентичные результаты.
Максимальная мощность горения в лабораторных образцах составляла 9,9 кВт и ограничивалась только пропускной способностью газопровода. Удельная тепловая нагрузка на матрицу, т.е. мощность горения на единицу площади внутренней поверхности матрицы, w0~230 кВт/м2=23 Вт/см2. При этом
удельная мощность горения на единицу выходного
сечения
Wj = wüY достигала w;=1680 кВт/м .
а
г
б
а
в
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
Устойчивое горение внутри объемной матрицы может протекать в двух режимах: когда пламя локализовано над рабочей поверхностью в полости матрицы и, при определенных условиях, когда фронт пламени располагается внутри матрицы под ее рабочей поверхностью. Первый режим можно условно назвать режимом «надповерхностного» горения, второй - режимом «подповерхностного» горения.
Рис. 7. Горелочные устройства с объемной матрицей из керамических плиток. (а) - 4-гранная матрица, мощность
горения W=9 кВт, (б) - 6-гранная матрица, W=5 кВт Fig. 7. Combustors with volumetric matrixes made of ceramic plates. (a) Rectangular matrix with combustion power W=9 kW; (b) hexagonal matrix with combustion power W=5 kW
Измерение температуры рабочей поверхности матрицы показало, что для смесей состава, близкого к стехиометрическому, температура поверхности в режиме надповерхностного горения в диапазоне удельной мощности горелки 100<w0<200 кВт/м2 слабо зависит от тепловой нагрузки, хотя с ее увеличением температура растет в пределах 100 К. С увеличением степени разбавления горючей смеси воздухом, температура рабочей поверхности матрицы в интервале значений коэффициента избытка окислителя а = 1,0-1,3 изменяется незначительно, но при а >1,3 - резко падает. Устойчивый режим надповерхностного горения существовал при температуре рабочей поверхности матрицы, не превышавшей критическую величину T*~ 300-1400 K. Такая предельная температура достигалась при коэффициенте избытка воздуха а >1,3 при всех исследованных величинах мощности горения W. При таком коэффициенте избытка воздуха все участки матрицы работали в нормальном радиационном режиме. Температура обратной стороны матрицы могла быть достаточно высокой ~500-570 K и даже близкой к предельной, при которой возможно воспламенение смеси на входе в матрицу.
Дальнейшее разбавление смеси воздухом вплоть до а =1,5-1,6 приводило к существенному снижению температуры обратной стороны плиток матрицы, а при более высоком значении а - к исчезновению радиационного режима горения в верхней части матрицы. Границы области устойчивого горения в координатах мощность горения - коэффициент
избытка воздуха для режима надповерхностного горения представлены на рис. 8 (кривые 1 и 2). В области, заключенной между этими кривыми, наблюдается устойчивое надповерхностное горение. Выше кривой 1 при малых значениях а и больших мощностях горения Ш реализуется режим подповерхностного горения, приводящий, если не предпринимать специальных мер по стабилизации фронта пламени, к развитию перегревной неустойчивости. При коэффициенте избытка воздуха, близком к стехиометрическому значению, наблюдается практически равномерное по поверхности свечение плиток. Температура рабочей поверхности матрицы достигала большой величины, например, при Ш=5,9 кВт, а =1,12, величина 7=1650 К. При высокой температуре данный режим горения со временем приводит к развитию перегревной неустойчивости. С увеличением коэффициента избытка воздуха, температура поверхности матрицы уменьшалась, и обеспечивался устойчивый режим надповерхностного горения.
Рис. 8. Области устойчивого и неустойчивого горения в
объемной углубленной матрице: (1) - граница между нормальным горением и перегревной неустойчивостью; (2) - граница затухания горения; (3) - граница между устойчивым горением и перегревной неустойчивостью при принудительном охлаждении корпуса горелки Fig. 8. Regions of stable and unstable combustion in deep volumetric matrix: (1) - frontier between normal combustion and overheating instability; (2) - frontier of extinction of combustion; (3) - frontier between normal combustion and overheating instability at forced cooling of combustors case
Обеднение смеси до a =1,23 и выше обеспечивало нормальный режим горения при W=5,6 кВт, в то время как при повышении мощности горения до W=8,7 кВт перегревная неустойчивость горения возникала при a=1,27. Ниже кривой 2, при больших значениях a и малых мощностях горения W, радиационный режим горения затухал. При сильном разбавлении смеси воздухом (вплоть до a =1,53)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06 (128) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
светились только нижние слои плиток благодаря эффекту радиационной обратной связи.
Для обеспечения устойчивой работы глубокой керамической матрицы в радиационном режиме надповерхностного горения и выравнивания температуры поверхности по высоте могут быть применены следующие приемы:
1. Профилирование внутренней полости матрицы, обеспечивающее изотермический режим работы излучающей поверхности. По-видимому, оптимальный профиль поверхности будет близок к профилю поверхности эллипсоида. В этом случае увеличивается поток излучения в пространство из нижних слоев матрицы.
2. Распределение тепловой нагрузки по высоте матрицы таким образом, чтобы удельная мощность горения увеличивалась с высотой. Это может быть достигнуто распределенной проницаемостью перфорированной плитки, т.е. уменьшением числа каналов на единицу поверхности или их диаметра в направлении нижних слоев матрицы.
3. Регулирование температуры рабочей поверхности матрицы по высоте путем распределения состава смеси. В нижние слои матрицы, там где максимальный эффект положительной обратной радиационной связи, подается обедненная смесь с пониженной температурой горения. И наоборот, в верхние слои матрицы, там где минимальный эффект положительной обратной радиационной связи, подается обогащенная смесь с повышенной температурой горения.
4. Установка радиационного экрана из металлической сетки при использовании однородной обедненной смеси. В полости матрицы вблизи выходного сечения, там где эффект положительной обратной радиационной связи минимален, может быть установлен дополнительный радиационный экран в виде металлической сетки. Он повышает температуру поверхности и обеспечивает в данной области матрицы радиационный режим горения бедной смеси.
Возможны и другие приемы, например, использование плиток с распределенным рельефом поверхности по высоте матрицы. В нижних слоях матрицы поверхность может быть безрельефной, гладкой, что уменьшит ее эффективную излучательную способность. Установка в верхней части матрицы металлической сетки размером 60х80х55 мм с шагом ячейки 1 мм в качестве радиационного экрана приводила к устойчивому и однородному по высоте горению бедных и сверхбедных смесей вплоть до а =1,68.
При различных режимах работы в центре выходного сечения матрицы была определена концентрация оксидов азота и СО в продуктах сгорания смесей различного состава. Даже при работе матрицы вблизи границы перегревной неустойчивости при высокой температуре рабочей
поверхности концентрации NO и CO были достаточно низкими. При мощности горения W=5,9 кВт (удельная тепловая нагрузка w0=135 кВт/м2), а =1,25 и температуре рабочей поверхности 7=1340 K они не превышали 3 ppm. При изменении состава смеси от почти стехиометрического до бедного при мощности горения W=7,1-7,5 кВт (w0=160-170 кВт/м2) концентрации оксидов NOx и CO монотонно снижались: NOx от 10 до 2,5 ppm и CO от 5 до 1,5 ppm (таблица 1).
Таблица 1
Зависимость концентрации оксидов NOx и CO от состава метано-воздушной смеси
Table 1
Dependence of NOx and CO oxides on composition of methane-air mixture
а 1,05 1,1 1,2 1,3 1,4
NOx, ppm 10 8 6 3,5 2,5
CO, ppm 5 4 2,3 2 1,5
Пределы горения бедных топливно-воздушных смесей в объемных матрицах
На основе анализа баланса энергии при переходе химической энергии газовой смеси в тепловую энергию продуктов сгорания и энергию излучения
Рид = Рис(Тт - То ) = Рис(т - То ) + уех(Т/ - Т04),
(6)
были определены критические условия горения в объемной проницаемой матрице. Здесь и - скорость потока смеси на входе в матрицу, р - плотность смеси, Q - энергия, выделяющаяся при сгорании смеси данного состава, Т0 - начальная температура смеси, Т - температура поверхности матрицы, Т^ -температура пламени (уходящих продуктов сгорания), Тт - адиабатическая температура продуктов сгорания смеси данного состава, с -эффективная теплоемкость, определяемая из сопоставления первых двух членов уравнения (6) при адиабатической температуре горения смеси стехиометрического состава, а - постоянная Стефана-Больцмана в законе излучения черного тела, е - эффективная излучательная способность матрицы. Для плоской матрицы из керамики, металлической сетки или пенометалла величина е обычно составляет 0,8-0,9. Для объемной матрицы, которую с большой точностью можно представить в виде черного тела с излучающим выходным сечением, значение е можно принять равным единице е=1. Коэффициент у равен отношению площади выходного сечения полости матрицы к полной площади поверхностного горения. Для плоской матрицы у=1, для объемной матрицы у<1.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
На рис. 9 представлены предельные режимы поверхностного горения бедных смесей. Зависимость температуры пламени и температуры
поверхности объемной матрицы Щ^) от тепловой нагрузки V имеет петлеобразный вид. Область решений для каждого значения Тт ограничена предельным значением V. Реальному устойчивому режиму поверхностного горения соответствуют части кривых, отображенных на рис. 9 сплошными линиями, а неустойчивому решению - пунктирными.
ТВ,Т К.
С обеднением смеси углеводородом адиабатическая температура горения Тт падает, и это приводит к сужению области устойчивого горения смеси и значительному снижению температуры поверхности матрицы. При достижении критической температуры поверхности происходит отрыв пламени от поверхности - горение затухает. Увеличение давления приводит к существенному расширению пределов поверхностного горения.
Рис. 9. Зависимость температуры поверхности объемной матрицы (1, 2)-(а), (1-3)-(б) и температуры пламени (3, 4)-(а), (4-6)-(б) от тепловой нагрузки при у=0,2 и различных адиабатической температуре горения и давлении: (а) а=2, Tm=1500 К, P=1 (1, 3), 10 атм. (3, 4); (б) а=2,3, Tm=1300 К, P=1 (1, 4), 10 (2, 5), 40 атм. (3, 6). Fig. 9. Dependence of volumetric matrix surface temperature (1, 2)-(a), (1-3)-(b) and flame temperature (3, 4)-(a), (4-6)-(b) on specific heat load at y=0.2 and different adiabatic temperatures of combustion and pressures: (a) a=2, Tm=1500 K, P=1 (1, 3), 10 atm. (3, 4);
(b) a=2.3, Tm=1300 K, P=1 (1, 4), 10 (2, 5), 40 atm. (3, 6).
Рассчитанная граница области устойчивого горения бедной метан-воздушной смеси а=/^) (рис. 10) позволяет оценить эффективность поверхностного горения бедных смесей и удельные энергетические характеристики горелочного устройства. При повышенных давлениях в объемных матрицах возможно устойчивое горение смесей состава вплоть до а=2,5 (рис. 10). В то же время для плоской матрицы при нормальном давлении устойчивый режим поверхностного горения возможен уже при значении а=1,2 лишь при высокой тепловой нагрузке, соответствующей ^-40 Вт/см2. С увеличением а или уменьшением расхода смеси температура поверхности матрицы падает настолько, что горение затухает.
Рис. 10. Границы областей устойчивого горения в зависимости от тепловой нагрузки на объемную матрицу при
Y=0,2 (3), давлении газа Р=1 (1), 10 (2), 40 атм. (3). Fig. 10. Frontiers of regions of stable combustion depending on specific heat load on the surface of volumetric matrix at y=0.2 (3) and gas pressure P=1 (1), 10 (2), 40 atm. (3).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06 (128) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Таким образом, переход от плоской матрицы к объемной приводит к увеличению температуры поверхности и существенному расширению области устойчивого горения. При w=40 Вт/см2 с увеличением давления от атмосферного до 40 атм. величина предельного значения коэффициента избытка окислителя а, при котором возможно устойчивое горение, увеличивается с 1,4 до, примерно, 2,2. При w=5 Вт/см2 и Р=40 атм. величина а может достигать 2,5 (рис. 10). Т.е. использование объемных проницаемых матриц открывает реальную возможность работы с очень бедными смесями, сжигание которых невозможно в других типах горелочных устройств.
Ожидаемые параметры матричной камеры сгорания для ГТУ
объемных матриц для создания низкоэмиссионных камер сгорания ГТУ. В них возможна организация устойчивого горения смесей природного газа с воздухом при удельной мощности с единицы выходного сечения горелки до 1000-2000 кВт/м2 и выше, а концентрация оксидов азота и оксида углерода в продуктах сгорания может быть снижена до 2-10 ррт. На основе модульного принципа могут быть изготовлены компактные горелочные устройства с объемными сотовыми матрицами мощностью в несколько МВт. Образец модульного устройства - модельной камеры сгорания газотурбинной установки, позволяющей сжигать очень бедные углеводород-воздушные смеси, представлен на рис. 12. Благодаря низкой температуре горения, концентрация оксидов азота в продуктах сгорания не превышала 5-10 ррт.
Полученные результаты показывают
перспективность использования горелок на основе
Рис. 12. Схема модельной камеры сгорания ГТУ и фотографии горелочного устройства с модульной объемной матрицей Fig. 12. Scheme of conceptual combustion chamber for gas turbine engine and photos of combustion module with volumetric matrix.
Как уже отмечалось, традиционные методы снижения вредных выбросов камерами сгорания ГТУ практически достигли своих предельных возможностей. Низкоэмиссионные матричные камеры сгорания (МКС) могут обеспечить дальнейшее продвижение в снижении вредных выбросов, но при этом они обязаны сохранять уже достигнутые показатели современных камер сгорания ГТУ по остальным принципиальным параметрам.
Объемные матричные горелки обладают таким сочетанием свойств, как уникально низкая (1200-1300°С) температура фронта пламени при высокой полноте сгорания даже очень бедных смесей. Кроме того, можно прогнозировать, что применение МКС позволит снизить габаритно-весовые характеристики камеры сгорания за счет упрощения конструкции КС и отсутствия зоны догорания топлива. Можно также прогнозировать, что ламинарный режим горения в матрице и более низкая максимальная температура в
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
матричной КС обеспечат более высокую стабильность горения и значительно меньший уровень пульсации потоков, что позволит снизить требования к конструкционным материалам камеры сгорания и повысит ее рабочий ресурс. Новый тип камеры сгорания позволяет отказаться от таких сложных и ненадежных компонентов традиционных КС, как жаровая труба и система ее охлаждения, а также система подачи вторичного воздуха, что не только облегчит и упростит конструкцию, но и еще более повысит ресурс работы КС. Новый тип камер сгорания может также расширить возможность использования в ГТУ низкокачественных и альтернативных топлив.
Поскольку разработка практической КС -сложная инженерная задача, требующая большого объема экспериментальной доводки, на начальной стадии разработки нового типа КС можно принять следующие принципиальные условия:
• разрабатываемая камера сгорания предназначена для стационарных ГТУ и должна удовлетворять соответствующим требованиям, предъявляемым к этому типу газотурбинных установок;
• камера сгорания разрабатывается как отдельный элемент общей схемы ГТУ (выносная камера сгорания) без рассмотрения вопросов ее сопряжения с остальными элементами ГТУ (компрессором, турбиной и др.);
• основные параметры потоков на входе и выходе камеры сгорания должны соответствовать таковым для типовой камеры сгорания стационарной ГТУ аналогичной мощности.
Ниже приведено сопоставление ожидаемых параметров малоэмиссионной камеры сгорания на основе проницаемых объемных матриц с аналогичными параметрами типовой камеры сгорания ГТУ традиционного типа. Такое сопоставление не совсем корректно, т.к. камеры сгорания авиационных ГТД не оптимизированы на достижение высоких экологических показателей, а изменения, вносимые при их конверсии для стационарных ГТУ, трудно выявить. Тем не менее, ниже приведено такое сопоставление для КС вертолетного ГТД марки ТВ3-117ВМ компании АО «Мотор Сич» номинальной мощностью 1,1 МВт. Этот двигатель стоит в ряду лучших мировых образцов по топливной экономичности и весовым характеристикам (сухая масса 294 кг) и используется в качестве двигателя для вертолётов Ми-14, Ми-17, Ми-8АМТ, Ми-8МТ, Ми-80МТ, Ми-28, Ми-171, Ми-172, Ми-8МТВ, а также в качестве привода наземных ГТЭС мощностью 1 МВт. В таблице 2 дано сопоставление основных характеристик камеры сгорания ГТД ТВ3-117ВМ и ожидаемых характеристик матричной камеры сгорания (МКС).
Таблица 2
Сравнение характеристик традиционной камеры сгорания ГТУ и концептуальной малоэмиссионной матричной камеры сгорания
Table 2
Comparison of characteristics of traditional combustion chamber of aircraft gas turbine engine and that of conceptual low-emission matrix combustion chamber
№ Показатель КС ГТД ТВ3-117ВМ Концептуальная МКС
1 Мощность, МВт 1,1 1,2
2 Давление в камере сгорания, кг/см2 9,4 10
3 Температура на выходе из камеры сгорания, оС 990 1250
4 Скорость газа на выходе из камеры сгорания, м/с При диаметре выходного сечения КС 400 мм При диаметре выходного сечения сборки КС 250 мм ~20,8 19,8
5 Расход газа, м3/с (расход керосина - 0,09 кг/с) ~0,15 0,1
6 Расход воздуха, м3/с (при сжигании керосина - кг/с) 7,5 (8,7-10 кг/с) 1,7
7 Коэффициент избытка окислителя а, полный 5 2
8 Диаметр камеры сгорания, мм 400 750
9 Длина камеры сгорания, мм 250 250
10 Длина двигателя, мм 2055 -
11 Вес камеры сгорания, кг 15
12 Удельная объемная тепловая мощность, МВт/м3 ~100(30) 30-50
13 Выбросы ЫОх, мг/м3 (7,5 г/кг топлива) 100 <10
14 Выбросы СО, мг/м3 (10,8 г/кг топлива) 144 <10
15 Ресурс, ч 7500
Сопоставление показывает, что прогнозируемые энергетические параметры матричной КС вполне сопоставимы с параметрами КС традиционного типа.
При этом эмиссионные характеристики матричной КС значительно превышают достигаемые камерами сгорания традиционного типа.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06 (128) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Выводы
Проведенные экспериментальные и
теоретические исследования убедительно показывают, что на основе объемных проницаемых матричных горелок могут быть созданы низкоэмиссионные матричные камеры сгорания (МКС) для ГТУ, практически не уступающие традиционным камерам сгорания по основным энергетическим характеристикам, но
обеспечивающие значительно более низкий уровень вредных выбросов. Основное преимущество МКС заключается в замене турбулентного факельного сжигания топлива его ламинарным сжиганием вблизи поверхности объемной матрицы. Уникально низкая (1200-1300°С) температура фронта пламени в МКС при высокой полноте сгорания даже очень бедных смесей позволяет обеспечить снижение объема вредных выбросов до уровня, недоступного другим известным типам горелочных устройств.
Можно также прогнозировать, что за счет ламинарного режима горения в матрице и более низких максимальных температур матричная КС обеспечит более высокую стабильность горения и, соответственно, значительно меньший уровень пульсации потоков, что позволит снизить требования к конструкционным материалам камеры сгорания и повысит ее рабочий ресурс. Новый тип камеры сгорания позволяет отказаться от таких сложных и ненадежных компонентов традиционных КС, как жаровая труба и система ее охлаждения, а также система подачи вторичного воздуха, что не только облегчит и упростит конструкцию, но и еще более повысит ресурс работы КС. Новый тип камер сгорания также расширяет возможность использования в ГТУ низкокачественных и альтернативных топлив. За счет упрощения конструкции КС и отсутствия зоны догорания топлива можно ожидать снижения габаритно-весовых характеристик МКС по сравнению с КС типовых ГТУ и приближения их к параметрам лучших авиационных ГТД.
Список литературы
1. Друскин Л.И. Эффективное использование природного газа в промышленных установках. Справочник. М.: Энергоатомиздат. 1992.
2. Hill S.C., Smoot L.D. Modeling of nitrogen oxides formation and destruction in combustion systems // Prog. Energ. Comb. Sci. 2000. V. 26. P. 417-458.
3. Беляев А. А. Частное сообщение.
4. Ходаков Ю.С. Оксиды азота и теплоэнергетика. М.: ООО «ЭСТ-М». 2001.
5. Beer J.M. Combustion technology developments in power generation in response to environmental challenges // Prog. Energ. Comb. Sci. 2000. V. 26. P. 301-327.
6. Zamansky V.M., Loc Ho, Maly P.M., Seeker W.R. Gas phase reactions of hydrogen peroxide and hydrogen peroxide/methanol mixtures with air pollutants. 26-th Symposium (International) on Combustion/Combustion Institute, 1996. P. 2125-2132.
7. Котлер В.Р., Пейн Р. Снижение газообразных выбросов без очистки дымовых газов на ТЭС (опыт США) // Электрические станции. 1994. № 7. С. 65-71.
8. Ковецкий В.М., Ковецкая Ю.Ю. Газотурбинные двигатели в энергетике: достижения, особенности, возможности // В сб.: ПРОБЛЕМИ ЗАГАЛЬНО1 ЕНЕРГЕТИКИ, 2008. № 17, с. 24 (www.ienergy.kiev.ua).
9. Лавров В.Н., Постников А.М., Цыбизов Ю.И., Мальчиков Г.Д., Гребнев В.В., Морозов А.В. Разработка системы низкоэмиссионного горения топлива в газотурбинных установках // Вестник СГАУ. Т. 2. 2007. С. 20 (http://publications. ssau.ru/files/VESTNIK_SGAU/VESTNIK_SGAU_2_20 07/20_Lavrov_RU.pdf).
10. Арутюнов В.С., Шмелев В.М., Лобанов И.Н., Политенкова Г.Г. Генератор синтез-газа и водорода на основе радиационной горелки // ТОХТ. 2010. Т. 44. № 1. С. 21-30.
11. Di Sarli V., Di Benedettob A. Laminar burning velocity of hydrogen-methane/air premixed flames // Int. J. Hydr. En. 2007. V. 32. P. 637-646.
12. Брюханов О.Н. Радиационно-конвективный теплообмен при сжигании газа в перфорированных системах. Л.: ЛГУ, 1977.
13. Брюханов О.Н., Крейнин Е.В., Мастрюков Б.С. Радиационный газовый нагрев. Л.: Недра, 1989.
14. Родин А.К. Газовое лучистое отопление. Л.: Недра, 1987.
15. Bouma P.H., Goey L.P.H. Premixed combustion on ceramic foam burners // Comb. Fl. 1999. V. 119. P. 133-143.
16. Cristo F., Krishnamoorthy L. An experimental and numerical study of IR emission from a porous radiant burner. Report DSTO-TR-1154, Australia. 2001. http://www.dsto.defence.gov.au/publications/2356/DST O-TR-1154.pdf.
17. Nemoda S., Trimis D., Zivkovic G. Numerical simulation of porous burners and hole plate surface burners // Thermal Science. 2004. V. 8. № 1. P. 3-17.
18. Toniato G., Zambon A., Lovato A., Tomasetto M., Mazaccavallo G. Metallic mat gas. 29th Meeting on Combustion: Pisa. June 14-17. 2006. P. I3.1
19. Шмелев В.М., Марголин А.Д. О горении газовой смеси над поверхностью перфорированной матрицы //Хим. Физ. 2000. Т. 19. № 5. С. 36-42.
20. Шмелев В.М. Инфракрасная горелка с объемным излучателем для бытовой газовой плиты // Газовая пром. 2007. № 11. С. 79-81.
21. Шмелев В.М. Инфракрасная горелка с объемной матрицей // Газовая пром. 2008. № 5. С. 74-79.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 06 (128) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
22. Шмелев В.М. Инфракрасная горелка с углубленной объемной керамической матрицей. Газовая пром. 2GG8. № 4. С. 37-41.
23. Toniato G., Zambon A., Lovato A., Tomasetto M., Mazaccavallo G. Metallic mat gas. 29th Meeting on Combustion: Pisa. June 14-17. 2GG6. P. I3.1.
24. Golombok M., Prothero A., Shirvill L., Small L. Surface combustion in metal fibre burners // Comb. Sci. Techn. 1991. V. 77. P. 2G3-223.
25. Patent USA N2GG8G227G44. Metal foam radiant burner / Cookson E.J., Cowan R.L. // 2GG7.
26. Лнциферов В.H., Храмцев В.Д., Поливода Л.И., Волков Э.П., Цой Г.Л., Бевз Л.П. Высокопористые проницаемые ячеистые материалы для экологически безопасных теплогенераторов // Перспективные материалы. 2GG8. № б. С. 5-1G.
27. Волков Э.П., Поливода А.И., Поливода Ф.А. Разработка новой экологически чистой технологии получения электроэнергии и тепла с использованием каталитического горения топлива // Изв АН. Энергетика. 2005. № 3б. С. 9-35.
28. Арутюнов В.С., Синев М.Ю., Шмелев В.М., Кирюшин А.А. Газохимическая конверсия попутного газа для малой энергетики // Газохимия. 2010. № 1 (11). С. 16-20.
29. Arutyunov V.S., Shmelev V.M., Sinev M.Yu., Shapovalova O.V. Syngas and hydrogen production in a volumetric radiation burners // Chem. Eng. J. 2011. V. 176-177. P. 291-294.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 06 (128) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
