Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут»
Хесен Мансур Баб
Громадянин Лівійської Джамахерії
УДК 621.438.068
Вплив водяної пари на емісію оксидів азоту газотурбінною камерою згоряння
05.04.01 - котли, парогенератори та камери згоряння
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
м. КИЇВ 1999 рік
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в науково-дослідному відділі «Проблем горіння» кафедри теплоенергетичних установок теплових та атомних електростанцій Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», Міносвіти україни (НТУУ «КПІ»)
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Христич Володимир Олександрович, НТУУ «КПІ»,
професор кафедри
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Дикий Микола Олександрович, НТУУ «КПІ»,
професор кафедри
кандидат технічних наук, старший науковий
співробітник
Дубоший Олександр Миколайович,
Інститут газу НАН України
Провідна організація: Інститут технічної теплофізики НАН України, відділи теплопровідності та малої енергетики
Захист дисертації відбудеться «_01_»__червня__1999 р. о _15_ годині
на засіданні спеціалізованної вченої ради Д 26.002.06 в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 252056, м. Київ, пр. Перемоги 37, корпус 5, аудиторія 406.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут»
Автореферат розісланий «_28_» _квітня _1999 р.
Вчений секретар
Спеціалізованої вченої Ради В.І. Коньшин
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми і мета роботи. Теплоенергетичні установки, в яких тепло генерується процесом спалення палив, в значній мірі забруднюють навколишнє середовище тими чи іншими токсичними компонентами продуктів згоряння. В газотурбінних та парогазових установках (ГТУ, ПГУ), впровадження яких стало стовповим шляхом подальшого розвитку світової енергетики, головними полюантами на режимах повного навантаження є оксиди азоту (NO, NO2) Вони відзначаються особливо високою токсичністю, що стало причиною підписання в 1988 р. Міжнародної Конвенції щодо скорочення викидів в атмосферу оксидів азоту, до якої в 1992 р. приєдналась Україна.
При тих паливах, на яких працюють сучасні ГТУ та ПГУ (природний газ і нафтові дистиляти), головним механізмом утворення оксидів азоту є «термічна» фіксація атмосферного азоту, де вирішальна роль належить температурі в реакційній зоні газотурбінної камери згоряння. Тому зниження цієї температури є головним засобом зменшення емісії оксидів азоту.
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). Але практично одержані результати в різних ГТУ кількісно не однакові. Крім того, відомо, що H2O, поряд з подавленням емісії NOx , негативно впливає на інші характеристики робочого процесу камери згоряння. 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.
З’ясування та дослідження всіх цих питань і розробка на цій підставі рекомендацій, що могли б сприяти оптимізації «мокрого» подавлення емісії NOx становили кінцеву мету виконаної роботи.
Задачі дослідження. Досягнення сформульованної вище мети потребувало вирішення наступних задач:
·
оптимізація вприску екологічної водяної пари в камеру згоряння з метою зменшення необхідної її витрати;
· дослідження впливу пари H2O на утворення NOx та його складові компоненти (NO, NO2);
· оцінка впливу пари H2O на фактичну токсичність оксидів азоту у вихлопних газах газотурбінної камери згоряння.
Зв’язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконана в НДВ »Проблем горіння» кафедри ТЕУ Т та АЕС теплоенергетичного факультету НТУУ «КПІ» в рамках НДР міносвіти України (тема 4206) і виконаних разом з НДІ «АПРОДОС» досліджень за науково-технічною програмою «ГРАНІТ».
Методика дослідження. Дослідження (впливу пари H2O на емісію оксидів азоту) здійснювалось експериментально в умовах натурної газотурбінної каме-ри 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 термо-хімічної моделі цього процесу.
Наукова новизна отриманих результатів полягає у слідуючому:
1.
Вперше експериментально досліджено вплив водяної пари H2O на концентрацію складових компонентів NOx в вихлопних газах газотурбінної камери згоряння.
2.
Установлено значне зростання відношення NO2 / NO при вприску в зону горіння пари H2O , що зменшує реальну ефективність її, як подавлювача токсичності оксидів азоту.
3.
Сформульована теоретична модель впливу пари на зростання емісії NO2, що погоджується з результатами проведеного експерименту.
Практичне значення результатів роботи:
1.
Показані переваги використання для «мокрого» подавлення оксидів азоту:
-
H2O у вигляді пари і
- виконання камери з дифузійною організацією процесу горіння.
2.
Запропоновані рекомендації щодо оптимальної схеми вводу «екологічної» пари в реакційний об’єм камери згоряння.
3.
Показана ступінь впливу на парове подавлення емісії NOх побічних перетоків в зону горіння повітря з систем охолождення полуменевої труби і розбавлення продуктів згоряння.
4.
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.
5.
Стосовно до натурних камер згоряння досить поширеного типу отримана універсальна узагальнююча залежність NOх = f(GП/GПАЛ ), що придатна для оцінки і прогнозування емісії NOх в широкому діапазоні витрат «екологічної» пари.
6.
Показано невідповідність реальної ефективності впливу H2O на фактичну токсичність оксидів азоту в вихлопних газах ГТУ існуючим уявленням, що базуються на розрахунках по концентрації NOх.
7.
Отримані в дисертаційному дослідженні дані дають підстави для перегляду ролі пари H2O в технологіях «мокрого» подавлення емісії оксидів азоту а також внесення певних коректив в розробку систем вихлопа і розсіювання вихлопних газів в атмосфері.
Особистим внеском здобувача у роботу є:
-
Розроблення дослідної моделі камери згоряння та програми досліджень;
-
Експериментальне дослідження впливу пари Н2О на емісію оксидів азоту в умовах натурної і модельної камер згоряння;
-
Обробка результатів експерименту з оцінкою факторів фактичної токсичності оксидів азоту на виході з камери згоряння;
-
Аналіз можливого механізму трансформації NO NO2 під впливом водяної пари;
-
Пропозиції щодо оптимізаційних схем вприску пари в зону горіння та аналіз їх ефективності.
На захист виносяться такі положення:
1.
Зміст і результати оптимізації «екологічного» вприску водяної пари в натурній газотурбінній камері згоряння в цілях підвищення ефективності подавлення емісії NOх і зменшення негативних наслідків вприску.
2.
Результати дослідження впливу водяної пари на склад і співвідношення основних компонентів оксидів азоту у вихлопних газах газотурбінної камери згоряння.
3.
Можлива модель впливу водяної пари на зростання концентрації діоксиду NO2 та результати її експериментальної перевірки.
4.
Результати аналізу фактичної токсичності продуктів згоряння на виході з камери і вихлопних газів ГТУ при «мокрому» подавленні емісії оксидів азоту.
Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на Х Всеросійській науково-технічній конференції «Газотурбінні і комбіновані установки та двигуни» (Москва, МГТУ, 1996р.)
та на міжнародному семінарі «ТЕПЛОТЕХНІКА - 98». «Перспективні енерготехнології в енергетиці та промисловості». Київ, 1998р.
Публікації. Основні результати дисертації викладено в чотирьох публікаціях.
Структура та об’єм роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох глав з висновками, узагальнюючих висновків по роботі в цілому та списку літературних джерел. Обсяг роботи становить 121 сторінка тексту, 56 рисунків та 6 таблиць. Список літературних джерел налічує 52 найменуваня.
ЗМІСТ РОБОТИ
Перша глава дисертації містить в собі аналіз ефективності засобів «мокрого» подавлення емісії NOх в газотурбінних камерах згоряння та зв’язаних з цим побічних негативних впливів на
інші характеристики їх робочого процесу:
повноту згоряння і емісію CO , запалення горючої суміші та стабільність горіння. На підставі виконаного всебічного аналізу:
-
Надана перевага використанню вологи ( H2O ) в паровій фазі і
- Зроблено висновок щодо необхідності оптимізації вводу пари в реакційний об’єм камери згоряння в цілях мінімізації її витрати і зменшення, тим самим, ступеню негативних наслідків.
Друга глава присвячена оптимізації вводу пари в полуменеву трубу газотурбінної камери згоряння з метою зменшення її витрати, необхідної для забезпечення потрібного ступеню подавлення емісії NOх . Дослідження проводилося на натурній камері згоряння (рис.1), що працює на природному газі з закруткою первинного повітря.
Оскільки утворення NOх 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. Але внаслідок складності і нестаціонарності температурних, концентраційних і швидкісних полів в умовах натурної камери така задача ще не піддається розрахунку і тому вирішувалась експериментально шляхом порівняльних випробувань камери згоряння при різних точках вводу пари в її реакційний об’єм.
В першій серії експериментів за допомогою пересувної парової форсунки (рис.1) мінялось положення паровпуску вздовж вісі камери згоряння. Отримані результати у вигляді залежностей для трьох значень gП+ПОВ = GП/(GП + GПОВ) = 0; 0,29; 0,58 зображені на рис.2.
Як видно, криві, що відповідають режимам з вприском пари (gП+ПОВ=0; 0,29; 0,58) мають дві характерні частини:
І – де місце розташування вводу пари (Х) практично не має
значення і збільшення gП+ПОВ істотно зменшує утворення NOх ;
ІІ - де по мірі подальшого зростання «Х» зменшується вплив gП+ПОВ, внаслідок чого збільшується концентрація NOх, наближаючись до її значення при роботі камери без вприску пари ( gП+ПОВ =0).
Аналіз статистичних даних та відомих залежностей розмірів зони рециркуляції від геометрії полуменевої труби і режиму роботи камери привели до висновку, що довжина ділянки І відповідає довжині зони рециркуляції за завихрювачем фронтового пристрою камери згоряння. З цього слідує, що:
а) вприск пари в межах зони рециркуляції є першою умовою забезпечення ефективного використання «екологічної» пари;
б) оскільки розміщення паровпуску в межах довжини цієї зони не має значення, але супроводжується різким погіршенням ефективності впливу пари на емісію NOх , при наближенні його до пульсуючої задньої границі рециркуляційної течії, доцільним здається ввод пари на самому початку полуменевої труби, тобто в площині її фронтового пристрою;
в) на підставі попереднього і прийнявши до уваги необхідність відвернення небезпеки обгоряння деталей паровпуску, найбільш доцільним слід вважати впуск пари в реакційну зону полуменевої труби безпосередньо через прохідні канали фронтового пристрою.
Але у фронтовому пристрої реальної камери згоряння принципово можливі різні схеми вводу пари в реакційний об’єм. Стосовно до камери, що використовувалась в цьому дослідженні, деякі з них зображені на рис.3. Як видно, вони відрізняються не тільки розташуванням вводу пари вздовж радіуса фронтового пристрою, але і механізмом взаємодії парового потоку з іншими реагентами, а саме:
Схема І – ввод пари концентрованим струменем вздовж зони рециркуляції;
Схема ІІ – системою радіальних струменів поперек зони;
Схема ІІІ – у вигляді паропаливної суміші;
Схема ІV – у вигляді пароповітряної суміші.
Випробування камери з усіма варіантами паровпуску проводилися на одному і тому ж режимі (табл.1), що імітував максимальне навантаження ГТУ.
Таблиця 1 – Режими випробувань натурної камери згоряння.
Витрата повітря через камеру згоряння | GПОВ= 0,2-0,25 кг/с
Тиск повітря на вході | PПОВ= 0,1-0,12 МПа
Температура повітря на вході | TПОВ= 550-570 К
Швидкість повітря (в міделевому перерізі полуменевої труби)
Коефіцієнт надлишку повітря
Ступінь підігріву в камері
Температура газів на виході | TПЗ=1273-1473К
Відносна витрата пари
Отримані результати у вигляді залежностей NOx = f(gпал) зображені на рис.4а. Звертає на себе увагу висока ефективність впливу H2O на зниження концентрації NOх, особливо з ІІ-ІV варіантами вводу пари.
Варіант І відрізняється в деякій мірі меншою ефективністю, бо в його схемі значна далекобійність концентрованого парового струменю.
(1)
де d – діаметр сопла парового струменю;
Wстр - швидкість парового струменю;
Wрец - швидкість рециркуляційної течії.
віддаляє від фронтового пристрою область розсіювання пари по перерізу полуменевої труби. Що ж стосується варіантів ІІ-ІV, де ввод і розсіювання пари реалізуються поблизу фрронтового пристрою, то вони в умовах дослідженої камери згоряння забезпечили практично однакові результати.
На рис. 4б ці результати зображені у безрозмірному вигляді NOx = f(gпал) як залежність, що може бутим описана універсальною формулою
Сформульовані вище припущення щодо причин різної ефективності впливу пари у схемі І і ІІ-ІV можуть бути однією з причин різної інтенсивності падіння
NOx = f (gпал) у різних камер згоряння (рис.5). Наші результати, як видно з рис.5, близькі до результатів випробувань камери згоряння фірми KWU (Сіменс).
Що ж стосується незначної різниці в результатах випробувань варіантів ІІ-ІV, то це пояснюється високою інтенсивністю масообмінних процесів, що її забезпечує фронтовий пристрій з інтенсивною закруткою потоку в реакційній зоні.
З одного боку, це розширює вибір можливих варіантів практичної реалізації вводу пари в камеру згоряння, з урахуванням всіх інших аспектів проблеми: технологічності виконання паровпуску, надійності його роботи, регулювання на змінних режимах, тощо. На нашу думку, перевагу заслуговує ІV варіант (паро-повітряна суміш), який забезпечує в подібній камері результати, що не поступаються ІІІ-му (паропаливна суміш), але конструктивно більш простий і зручний в регулюванні.
Але, з другого боку, висока інтенсивність масообмінних процесів в первинній зоні натурної камери згоряння обумовила значну участь у фізико-хімічних процесах реакційної зони побічних притоків повітря через системи охолодження полуменевої труби і розбавлення продуктів згоряння вторинним повітрям, що не могли бути враховані при встановленні режимів горіння і обробці результатів.
Це мотивувало другий етап досліджень, що складають зміст наступної глави.
Третя глава мала за мету уточнення впливу пари H2O на утворення оксидів азоту в умовах камери згоряння з високою інтенсивністю масообмінних процесів, але без будь-яких побічних пропусків повітря, здатних впливати на температурні та концентраційні поля в реакційній зоні. З цією метою була спроектована і виготовлена модельна камера згоряння, що зображена на рис.6.
В якості фронтового пристрою вона мала лопатковий завихрювач, але була виконана без повітряного охолодження продуктів згоряння і стінок полуменевої труби. Ввод пари в неї відповідав ІV-му варіанту (паро-повітряна суміш), реалізованому шляхом вводу пари спеціальною форсункою у вхідний патрубок камери згоряння.
Додаткові задачі виникли з усвідомлення того, що пара H2O, це - не тільки поглинач тепла, але і – реагент, що може приймати участь в хімічних трансформаціях, що мають місце в реакційній зоні. Так, слід мати на увазі термічну дисоціацію частини пари, що надходить в зону горіння. Причому, можна вважати, що при характерних для ГТУ високих початкових температурах повітря, в локальних зонах, де a ® 1 , температура горіння може досягати значень, при яких поряд з основною зворотньою реакцією дисоціаціі води
зростає вірогідність реакцій
H2 O OH+H
H2 H+H
з утворенням радикалів атомарного водню ( H ) . Разом з реакцією
це повинно збільшувати їх концентрацію в реакційній зоні і, відповідно, концентрацію пероксидного радикалу HO2 , що утворюється згідно з реакцією
і потім сприяє доокисленню в камері згоряння NO до NO2 :
В разі вірності цієї гіпотези вприск пари в камеру згоряння повинен супроводжуватися зростанням в продуктах згоряння концентрації NO2 (яка звичайно не перевищує при повному навантаженні ГТУ (5-10%). З метою перевірки цієї гіпотези, дослідження модельної камери проводилися з роздільною фіксацією як NOх , так і складових його компонентів: NO та NO2. Де - будь-яка третя молекула, призначенням якої є енергетична стабілізація радикала.
Для цих досліджень було виготовлено експериментальний стенд, схема якого зображена на рис.7. Він дозволяв підтримувати такі ж робочі режими, як і в натурній камері.
На рис.8 в координатах NOx = f (gпал) приведено порівняння результатів випробувань модельної і натурної камер згоряння. Як видно, ці результати у відносно незначній мірі відрізняються при малих gП ( де модельна камера має більш інтенсивне падіння NOх ) але досить помітно розходяться в області gП > 0,3 - 0,4 де більш інтенсивне падіння NOх спостерігалось в натурній камері згоряння (з втручанням додаткових притоків повітря). В «чистому» вигляді (тобто без таких притоків) результати вимірювань NOх в мг/м3 (в дисертації приведені також результати в млн-1 ) в залежності від GП/GПАЛ і головних режимних параметрів роботи камери згоряння зображені на рис.9. Як видно, емісія NOx зменшується при збільшенні відносної витрати пари (GП/GПАЛ), зниженні TПЗ , а також зростанні і . Одержаний набір таких експериментальни залежностей може бути корисним при проектуванні камер згоряння з системами «мокрого» подавлення емісії NOх та при доводці їх робочого процесу.
На рис.10 для режиму ТПЗ = 1473 К показана «розкладка» NOх
на його складові компоненти (NO і NO2) у вигляді залежностей:
NO = f(GП/GПАЛ) та NO2 = f(GП/GПАЛ) .
Не важко побачити тотожність графіків NO і NOх , обидва з яких показують значне зниження концентрацій по мірі зростання GП/GПАЛ .
Що ж стосується діоксиду NO2 , то його абсолютна концентрація при цьому не тільки не знижується, а навіть в деякій мірі зростає.
Це приводить до того, що при вприску в камеру водяної пари одночасно з зниженням концентрацій NO і NOх спостерігається значне зростання відносної концентрації NO2 .
На рис.11 це показано у вигляді залежностей
Як видно, на режимах з вприском пари вони значно перевищують значення, характерні для звичайних котельних топок ( NO2/NOх 0,01 – 0,08).
Таким чином, отримані експериментальні результати підтверджують імовірність сформульованої раніше гіпотези (моделі) щодо впливу водяної пари на утворення NO2 .
Оскільки ГДК NO2 << ГДК NO, Гранично-допустимі по санітарно-гігієнічним нормам концентрації полюанта в атмосфері населених міст зміна співвідношення NO2 / NO в продуктах згоряння міняє їх фактичну токсичність. Аналізу цього питання присвячена наступна глава дисертації.
Четверта глава присвячена аналізу фактичної ефективності зниження
токсичності оксидів азоту при вприску пари H2O.
Фактична токсичність будь-якого нормуємого полюанта може бути виражена як
де Ci - заміряна концентрація;
Для оксидів азоту, згідно з цими нормами, ГДК (максимально-разові) становлять:
для NO - 0,6 мг/м3
для NO2 - 0,085 мг/м3
для NOx - 0,085 мг/м3
Як видно, найбільш токсичним з них є діоксод NO2 . Приймаючи до уваги це і неминучість доокислення в атмосферних умовах NO до NO2, в аналізі проблем глобального забруднення атмосфери враховується звичайно сумма (NO+NO2) = NOx , де NO перераховується на NO2 і тоді
Стосовно до такого випадку «фактична» токсичність вихлопних газів оцінюється як
Як видно з рис.12, на режимі високого навантаження (ТПЗ = 1478К) без вприску пари вона більш ніж в 1100 разів перевищує ГДК NOx.
Однак реально, як було показано раніше, вихлопні гази на виході з камери згоряння (і «димової» труби) містять в собі NO і NO2 , тобто в цьому випадку «фактична» токсичність повинна оцінюватись як
На режимі без подачі пари ( GП/GПАЛ = 0), коли NO >> NO2, це робить реальну токсичність вихлопних газів Ф значно меншою Ф NOx . Але при вприску пари картина суттєво міняється. Якщо Ф NOx при збільшенні витрат пари прогресивно падає, Ф внаслідок зростання NO2/NO, падає досить мало і може навіть зростати (при GП/GПАЛ > 1,5).
Таким чином, якщо мати на увазі «фактичну» токсичність продуктів згоряння газотурбінної камери згоряння, то слід зробити висновок, що вприск пари відносно мало впливає на неї в порівнянні з розрахунковими значеннями Ф NOx .
Зрозуміло, що це дає досить достатні підстави для перегляду ролі пари в технологіях «мокрого» подавлення емісії оксидів азоту, а також внесення певних коректив в розробку систем вихлопа та розсіювання димовими трубами вихлопних газів в атмосфері.
Зокрема, при цьому слід звернути увагу на те, що породжені дисоціацією водяної пари пероксидні радикали HO2 при параметрах, що мають вихлопні гази ГТУ, «живуть» понад ~ 1с. Внаслідок високих швидкостей вихлопних газів і відносно невисоких газотурбінних «димових» труб це може привести до виносу деякої частини радикалів за межі труби, де вони разом з атмосферним озоном будуть приймати участь в подальшому збільшенні концентрації високотоксичного NO2 в газовому шлейфі, що досягає земної поверхні. Можливо, що для збереження існуючих норм токсичності в приземному шарі, це потребує відповідного збільшення висоти «димових» труб газотурбінних установок.
УЗАГАЛЬНЮЮЧІ ВИСНОВКИ
1.
«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).
2.
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.
3.
Всі негативні наслідки вприску пари в камеру згоряння зростають по мірі збільшення її подачі в реакційний об’єм, що робить необхідним забезпечення необхідного ступеню зниження емісії NOx мінімально можливою витратою «екологічної» пари.
4.
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 об’єму її циркуляційної течії з максимальним наближенням до фронтового пристрою камери згоряння.
5.
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.
6.
Подавлення емісії NOx при вводі пари в реакційний об’єм обумовлюється, головним чином, зменшенням концентрації NO, яка (у відповідності з термічним механізмом) знижується при зменшенні температури в реакційному об’ємі (ТПЗ) і збільшенні швидкості в камері газоповітряного потоку.
7.
В умовах натурних камер згоряння цей ефект може посилюватись впливом «паразитних» притоків повітря в реакційний об’єм з систем охолодження полуменевої труби та розбавлення продуктів згоряння.
8.
Однак, при вприску пари в реакційний об’єм, поряд з зниженням концентрації NO, має місце різке збільшення в продуктах згоряння відносної концентрації високотоксичного діоксиду азоту NO2, що:
a)
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
9.
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.
10.
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.
11.
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 слідуючих роботах:
1.
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.
2.
Христич В.А., Ольховская Н.Н., Левчук С.А, Хесен Баб.
Подавление емиссии NOх в газотурбинных установках впрыском водяного пара // Экотехнологии и ресурсосбережение,–1998.- №2.-С.56-59.
Дисертантом проаналізовано можливий механізм трансформації NO NO2.
3.
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.
4.
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.
Хесен Мансур Баб. Вплив водяної пари на емісію оксидів азоту газотурбінною камерою згоряння.- Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня Кандидата технічних наук за спеціальністю 05.04.01 - котли, парогенератори та камери згоряння. -Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут», Київ, 1999 р.
Дисертація присвячена дослідженню впливу водяної пари на склад і співвідношення основних компонентів оксидів азоту і має своєю метою оптимізацію вприску пари для підвищення ефективності "мокрого" подавлення емисії NОx і зменшення його негативних наслідків.
Розглянута можлива модель впливу пари H2O на збільшення концентрації в продуктах згоряння діоксиду NO2 .
Приведено аналіз фактичної токсичності продуктів згоряння на виході з камери і вихлопних газів ГТУ при "мокрому " подавленні емісії оксидів азоту.
Ключові слова: оксиди азоту, емісія, "мокре" подавлення, водяна пара, пероксидний радикал, оптимізація вприску.
Хесен Мансур Баб. Влияние водяного пара на эмиссию оксидов азота газотурбинной камерой сгорания.- Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени Кандидата технических наук по специальности 05.04.01. - котлы, парогенераторы и камеры сгорания.- Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт, Киев, 1999г.
Диссертация посвящена исследованию влияния водяного пара на состав и соотношение основных компонентов оксидов азота, образующихся в газотурбинной камере сгорания, и имеет своей целью оптимизацию впрыска пара для повышения эффективности «мокрого» подавления эмиссии NOx, что позволило бы снизить расход этого пара, уменьшив тем самым его негативное влияние на другие характеристики рабочего процесса камеры сгорания.
Влияние пара H2O на эмиссию NOx и оптимизация его впрыска изучались на натурной камере сгорания с закруткой воздушного потока при работе ее на природном газе. Исследование проводилось в стендовых условиях на режиме, имитирующим максимальную нагрузку ГТУ. Из испытанных 4-х вариантов паровпуска наиболее эффективным оказался ввод пара в поток первичного воздуха, но, одновременно, путем сравнения полученных результатов с результатами испытания других известных аналогов камер, установлено заметное влияние на уровень эмиссии NOx побочных притоков в реакционную зону воздуха через системы охлаждения стенок пламенной трубы и разбавления продуктов сгорания вторичным воздухом.
Для уточнения влияния пара на NOx в чистом виде, т.е. без каких-либо побочных пропусков воздуха в зону реакции, проведены дополнительные исследования на модельной камере сгорания с такой же схемой паровпуска, смесеобразования и стабилизации горения, но не имеющей воздушного охлаждения продуктов сгорания и стенок пламенной трубы. В этих исследованиях, наряду с концентрацией NOx, регистрировалось содержание его составных компонентов: NO и NO2.
Испытания показали, что на всех режимах (в том числе при Т=const) впрыск пара в зону горения интенсивно снижает эмиссию NO, но резко увеличивает относительную концентрацию высокотоксичного NO2 (т.е. NO2/NO, NO2/NOx). Это свидетельствует о том, что пар H2O влияет не только на термический механизм фиксации атмосферного азота (в виде NO), но и воздействует на кинетику протекающих там химических процессов. Сформулирована согласующаяся с результатами эксперимента модель доокисления в камере NO до NO2 с участием пероксидных радикалов (HO2), концентрация которых может возрастать при диссоциации H2O в зоне высоких температур.
Увеличение соотношения NO2/NO увеличивает фактическую токсичность покидающих ГТУ продуктов сгорания Ф = NO/0,6+NO2/0,085 , мг/м3 в сравнении с традиционной оценкой в виде Ф NOx= NOx /0,085 , что дает основания для пересмотра роли пара в технологиях «мокрого» подавления эмиссии оксидов азота в камерах сгорания ГТУ, а также внесения определенных корректив в разработку их выхлопных систем.
Ключевые слова: оксиды азота, эмиссия, "мокрое" подавление, водяной пар, пероксидный радикал, оптимизация впрыска.
Hesen Mansur Bab. Steam influences on emission of nitrogen oxide by gas-turbine combustion chambers. - Manuscript.
Theses for the degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 05.04.01. – boilers, steam generators and combustion chambers. -National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, 1999.
Theses is devoted to research of steam influence on composition and ratio of basic components of nitrogen oxide. The object of the said these is optimization of steam injection for increasing effectiveness of «wet» suppression of NOх emission and decreasing its negative consequences. Possible model of H2O steam influence on decrease of concentration in combustion products of dioxide NO2 is discussed.
Analysis of actual toxicity of combustion products passed form combustion chamber and exhaust gas in gas-turbine plant in «wet» suppression of nitrogen oxides is conducted.
Key words: nitrogen oxides, emission, «wet» suppression, steam, peroxide radical, injection optimization.
