К загрязняющим атмосферу газообразным веществам, образующихся при сжигании топлива в камерах сгорания ГТУ следует отнести оксиды азота (в пересчете на NO2), серы SO2, окислов углерода СО, метана СН4 и других летучих веществ.
Опыт эксплуатации показывает, что выбросы вредных веществ в атмосферу при пуске, работе и остановках агрегатов в общей сложности достигает 12-15 млн м3/год.
Для окружающей среды основное значение имеют разовая и среднесуточная предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ, поступающих в атмосферу. Максимальная разовая и среднесуточная концентрации, например, диоксида азота NO2 составляет соответственно, мг/м3 : 0.085 и 0,040; оксида азота NO –0,60 и 0,060; оксида углерода СО – 5,0 и 1,0; сернистого углерода SO2 - 0,5 и 0,05 и т. д. Приведенные данные свидетельствуют, что наиболее высокой токсичностью обладают диоксид и оксид азота (токсичность NO2 примерно в 7 раз выше токсичности NO), которые совместно обозначаются как NOx.
Образование вредных выбросов при сжигании топлива в камере сгорания и, прежде всего, оксидов азота, как наиболее опасных для окружающей среды, осуществляется по трем основным направлениям: «термические», «быстрые» и «топливные» (Рис. 4.2) [18].
«Термические» оксиды азота образуются непосредственно в факеле горения топлива в результате высокотемпературной цепной реакции окисления атмосферного азота свободным кислородом с выделением теплоты, формальная кинетика которой описывается уравнением:
N2 + O2 ® 2NO + q (4.21)
Образование «термических» оксидов NOx резко возрастает с повышением температуры в зоне горения и с увеличением концентрации атомарного кислорода О. Образование атомарного кислорода О в пламени происходит не только за счет диссоциации О2 , но и в ряде других реакций. Содержание его при горении углеводородов может достигать 0,4-0,8%.
При температурах Т < 1300-1400 К содержание NO в продуктах сгорания практически отсутствует; при температурах Т @ 1700 К содержание NO доходит до 2 г/м3 , что значительно превышает предельно допустимую среднесуточную концентрацию оксида азота, равную примерно 0,06 мг/м3. Это свидетельствует о том, что решающее влияние на образование «термических» NO оказывает температура сгорания и, естественно, время образования NO.
«Быстрые» оксиды азота NOx обычно образуются при температуре ниже 1000 К на начальном участке фронта пламени: их выход при горении природного газа составляет примерно 100-120 мг/м3 и практически не зависит от температуры горения и от коэффициента избытка воздуха. Образующиеся в начале зоны горения оксиды азота свидетельствуют о малом времени их образования, в связи с чем они и получили наименование «быстрых». При температурах Т @ 300 К скорость их образования значительно выше, чем скорость образования «термических» NO.
«Топливные» оксиды NOx образуются из азотосодержащих соединений топлива на начальном участке факела горения одновременно с «быстрыми» оксидами, но до появления «термических» NO. Образование «топливных» оксидов начинается уже при температурах 900-1000 К и быстро увеличивается с повышением температуры горения.
При температурах Т £ 2000 К в продуктах сгорания, как правило, присутствуют все три типа NOx; при температурах ³ 2000 К в основном образуются только «термические» оксиды азота.
Концентрации NO и NO2 принято оценивать в единицах ррm, характеризующих отношение числа молекул данного компонента на миллион молекул воздуха, или в мг/м3 (для NO 1 ррm = 1,3 мг/м3; для NO2 - 1 ррm = 2 мг/м3 ).
Значительное влияние на выход NOx при сгорании газовоздушных смесей оказывают тепловое напряжение камеры сгорания q и коэффициент избытка воздуха a, что наглядно иллюстрируется данными Рис. 4.3. Максимальный выход оксидов азота имеет место при a = 1,2 – 1,3. По мере повышения теплового напряжения камеры сгорания q, содержание NOx повышается, а экстремум смещается в сторону больших значений a. При повышении величины a до 1,5 во всех случаях NOx в 1,5-3 раза ниже сравнительно с его максимальным значением при a = 1,2-1,3.
Существенное влияние на образование NOx оказывает характер распределения температуры по длине факела горения топлива и турбулентность потока. Так, при использовании вихревых горелок, когда температура факела и турбулентность потока выше, чем при использовании прямоточных горелок, увеличение закрутки потока примерно в 1,5-2,0 раза приводит к увеличению выхода NOx в 2,3-2.5 раз. В горелках диффузионного типа, когда топливо воспламеняется на некотором расстоянии от сопла, зона горения удлиняется, температура в зоне горения вследствие теплообмена оказывается ниже, чем в горелках вихревого типа, концентрация выхода NOx снижается.
Значительное влияние на выход NOx оказывает температура воздуха, подаваемого в зону горения, так например, предварительный подогрев воздуха с 180 до 380 0С увеличивает выход NOx, более чем в 2,5 раза, время их образования сокращает на порядок, длину образования NOx уменьшает примерно в два раза (Рис. 4.4).
Тепловое напряжение камеры сгорания и коэффициент избытка воздуха оказывают большое влияние и на выход другого токсичного газа – оксида углерода СО. Минимальное значение концентрации оксида углерода при различных значениях теплового напряжения здесь проявляется при a1 » 1,4; при дальнейшем росте величины a1 , концентрация СО начинает возрастать и ужу при a1 » 1,5 она становится выше минимального значения примерно на 20-40%.
