Вплив водяної пари на емісію оксидів азоту газотурбінною камерою згоряння - Автореферат

Найбільш просто і ефективно це може бути досягнено вприском в камеру згоряння води або водяної пари, що утворюють разом сукупність так званих «мокрих» засобів подавлення емісії NOX (NO NO2). Одночасно, зміна температурного режиму в реакційній зоні від вприску H2O, а також участь останнього , як хімічного реагенту, дають підстави очікувати поряд із зниженням викиду NOX зміни співвідношення його складових частин: NO і NO2 , від чого залежить фактична токсичність продуктів згоряння. Дослідження (впливу пари H2O на емісію оксидів азоту) здійснювалось експериментально в умовах натурної газотурбінної камери згоряння і її спрощеної моделі (без побічних вводів повітря в реакційну зону) шляхом роздільної фіксації складових частин NOX (тобто NO і NO2) і порівняння отриманих експериментальних результатів з теоретичними уявленнями щодо відомої термохімічної моделі цього процесу. Одержані кількісні дані щодо впливу пари H2O на емісію оксидів азоту при різних режимах процесу горіння, що можуть бути корисними при проектуванні камер згоряння та аналізі їх робочого процесу. Оскільки утворення NOX локалізується в зонах з певним сполученням концентрацій і температур, а рівень його емісії залежить від рівня цих температур і часу перебування в цих зонах реагентів, то оптимальним рішенням задачі міг би бути локальний вприск пари в такі зони.Всі негативні наслідки вприску пари в камеру згоряння зростають по мірі збільшення її подачі в реакційний обєм, що робить необхідним забезпечення необхідного ступеню зниження емісії NOX мінімально можливою витратою «екологічної» пари. Для забезпечення високої ефективності «екологічного» впливу Н2О на емісію NOX (і скорочення тим самим його витрати) вприск пари слід здійснювати в полуменеву трубу в межах обєму її циркуляційної течії з максимальним наближенням до фронтового пристрою камери згоряння. В камерах згоряння з високою інтенсивністю масообмінних процесів в первинній зоні (що характерно для камер згоряння з закруткою потоку) оптимальним засобом реалізації сформульованої вище рекомендації є ввод пари в поток первинного повітря, що, поряд з достатньо високою ефективністю впливу пари на подавлення емісії NOX , спрощує конструкцію фронтового пристрою камери та регулювання ГТУ. В умовах натурних камер згоряння цей ефект може посилюватись впливом «паразитних» притоків повітря в реакційний обєм з систем охолодження полуменевої труби та розбавлення продуктів згоряння.

«Мокре» подавлення є найбільш простим та ефективним засобом зменшення утворення NOX в газотурбінній камері згоряння, але воно неминуче викликає (на часткових навантаженнях) емісію СО і супроводжується погіршенням інших характеристик її робочого процесу (особливо при роботі на гомогенній суміші).

З точки зору обмеження рівня цих погіршень і спрощення технології організації «мокрого» подавлення NOX , переваги заслуговує: використання Н2О у вигляді пари;

використання камери з дифузійною організацією процесу горіння.

Всі негативні наслідки вприску пари в камеру згоряння зростають по мірі збільшення її подачі в реакційний обєм, що робить необхідним забезпечення необхідного ступеню зниження емісії NOX мінімально можливою витратою «екологічної» пари.

Для забезпечення високої ефективності «екологічного» впливу Н2О на емісію NOX (і скорочення тим самим його витрати) вприск пари слід здійснювати в полуменеву трубу в межах обєму її циркуляційної течії з максимальним наближенням до фронтового пристрою камери згоряння.

В камерах згоряння з високою інтенсивністю масообмінних процесів в первинній зоні (що характерно для камер згоряння з закруткою потоку) оптимальним засобом реалізації сформульованої вище рекомендації є ввод пари в поток первинного повітря, що, поряд з достатньо високою ефективністю впливу пари на подавлення емісії NOX , спрощує конструкцію фронтового пристрою камери та регулювання ГТУ.

Подавлення емісії NOX при вводі пари в реакційний обєм обумовлюється, головним чином, зменшенням концентрації NO, яка (у відповідності з термічним механізмом) знижується при зменшенні температури в реакційному обємі (ТПЗ) і збільшенні швидкості в камері газоповітряного потоку. В умовах натурних камер згоряння цей ефект може посилюватись впливом «паразитних» притоків повітря в реакційний обєм з систем охолодження полуменевої труби та розбавлення продуктів згоряння.

Однак, при вприску пари в реакційний обєм, поряд з зниженням концентрації NO, має місце різке збільшення в продуктах згоряння відносної концентрації високотоксичного діоксиду азоту NO2, що: Знижує дійсну ефективність впливу пари Н2О на фактичну токсичність оксидів азоту в вихлопних газах ГТУ

б)і збільшує її початковий рівень в шлейфі продуктів згоряння, що покидають вихлопну («димову») трубу ГТУ

Викладене вище свідчить про те, що водяна пара впливає в камері згоряння не тільки на термічний механізм фіксації атмосферного азоту (у вигляді NO), але й здійснює вплив на кінетику процесу доокислення NO в NO2 за участю пероксидних радикалів (НО2), концентрація яких може зростати внаслідок дисоціації пари Н2О в зоні високих температур.

Викладене у підпункті 8б та можливість проскоку частини пероксидних радикалів за межі камери згоряння, приводять до того, що вприск в неї пари може привести до помітного збільшення фактичної токсичності вихлопного газового шлейфу, що формує атмосферу приземного шару в районі розташування ГТУ.

Все вище викладене дає достатні підстави для перегляду ролі пари Н2О в технологіях «мокрого» подавлення емісії оксидів азоту, а також внесення певних коректив в розробку систем вихлопа і розсіювання вихлопних газів в атмосфері, а також програм регулювання ГТУ (ПГУ), що працюють з «екологічним» вприском пари в камеру згоряння.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

В.О. Христич, С.О Левчук, Н.М. Ольховська, Хесен Баб. Зволоження горючої суміші, як засіб зменшення забруднення довкілля токсичними оксидами азоту, і його ефективність. // Наукові вісті НТУУ «КПІ», серія Теплоенергетика. -1997. -С.97-101.

Дисертантом розроблена та виготовлена дослідна модель камери згоряння, виконано аналіз впливу пари на фактори емісії Ф Nox і ФNO NO2.

Христич В.А., Ольховская Н.Н., Левчук С.А, Хесен Баб. Подавление емиссии NOX в газотурбинных установках впрыском водяного пара // Экотехнологии и ресурсосбережение,-1998.- №2.-С.56-59.

Дисертантом проаналізовано можливий механізм трансформації NO ® NO2.

В.О. Христич, С.О Левчук, Н.М. Ольховська, Хесен Баб. Оптимізація «екологічного» вприску водяної пари в газотурбінну камеру згоряння з метою зменшення емісії NOX // Вісник Українського будинку економічних та науково-технічних знань. -1998. - № 8.- С.81-84.

Дисертантом запропоновані оптимізаційні схеми вприску пари в зону горіння та виконано аналіз їх ефективності.

В.А. Христич, Г.Н. Любчик, С.А Левчук, Хесен Баб. Влияние Н2О на NO2 /NO в выхлопных газах газотурбинной камеры сгорания // Материалы Х Всеросийской научно-технической конференции «Газотурбинные и комбинированные установки и двигатели» Москва, МГТУ. -1996.- С.124-125.

Дисертантом виконано експериментальне дослідження впливу пари Н2О на NOX та NO2 /NO в умовах натурної газотурбінної камери згоряння.