К загрязняющим веществам, выбрасываемых с продуктами сгорания в атмосферу, применительно к работе ГТУ, как отмечалось выше, прежде всего следует отнести оксиды азота и углерода. Для номинального режима работы эксплуатируемых газотурбинных установок численные значения этих выбросов характеризуются данными табл. 4.1. [20].
Номинальный режим работы газотурбинной установки характеризуется следующими показателями: температура наружного воздуха + 15 0С, давление наружного воздуха – 0,1013 МПа, относительная влажность воздуха – 60%, мощность на валу нагнетателя – 100%.
Анализ данных табл. 4.1 показывает, что мощность выбросов оксидов азота, которые наиболее существенно влияют на окружающую среду и здоровье человека, для различных установок весьма сильно отличается друг от друга. Концентрация оксидов азота в регенеративных установках всегда выше, чем в установках без регенерации тепла отходящих газов, что объясняется тем, что температура воздуха на входе в камеру сгорания в них всегда выше, чем в установках без регенерации тепла отходящих газов. Так в установке типа ГТК-10 до модернизации камеры сгорания, концентрация NOx достигала величины порядка 350 мг/нм3 (табл. 4.1)
Согласно ГОСТу, концентрация оксидов азота при работе на природном газе не должна превышать 150 мг/нм3, оксидов углерода - 100 мг/нм3 . Следует отметить, что лучшие образцы газотурбинных установок в части охраны окружающей среды имеют выбросы оксидов азота на уровне 70-100 мг/нм3.
К методам снижения вредных выбросов с продуктами сгорания следует отнести: впрыск воды или пара в камеру сгорания для снижения максимальной температуры газов в зоне горения, использование химической очистки дымовых газов, модернизация камер сгорания и их горелочных устройств и т.д. [15, 18].
К недостаткам реализации метода впрыска воды или пара следует отнести прежде всего большой расход воды, а также необходимость в ее специальной предварительной очистке от механических примесей и солей жесткости (кальция, магния). Примерный суточный расход воды только на один агрегат может доходить до 50-60 м3/сут что вызывает необходимость отказаться в условиях КС от этого метода снижения выбросов NOx.
Впрыск пара в камеру сгорания в принципе может быть реализован в ряде случаев, если на территории станции имеется котельная установка. Расчеты показывают, для агрегатов мощностью примерно 19 МВт впрыск пара в количестве примерно 2,5% от расхода первичного воздуха позволяет снизить выход оксидов азота примерно в два раза. Однако нигде эти методы на компрессорных станциях не используются.
Таблица 4.1
Показатели выбросов оксидов азота и углерода с продуктами сгорания для ряда газотурбинных установок, эксплуатируемых на газопроводах
| Тип ГТУ | Расход продуктов сгорания, нм3/с | Мощность выброса NOx, г/с | Концентрация NOx, мг/нм3 | Мощность выброса СО, г/с | Концентрац. СО мг/нм3 |
| ГТ-700-5 ГТК-5 ГТ-6-750 ГТН-6 ГТ-750-6 ГПА-Ц-6,3 ГПУ-6 ГПА-Ц-8 ГТК-10 ГПУ-10 ГТН-10И ГТНР-10 ГТК-16 ГТН-16 ГТН-16М-1 ГПА-Ц-16 ГПУ-16 ГТН-25И ГТН-25 ГТН-25-1 Коберра-182 Центавр | 35,4 35,4 37,1 37,1 45,6 47,1 23,3 47,8 66,5 68,1 40,6 66,6 79,2 67,4 66,6 80,5 76,2 92,5 117,3 80,2 60,7 12,9 | 6,89 6,89 3,57 3,57 15,5 3,04 2,41 4,83 22,6 4,3 7,68 11,7 7,57 11,6 6,88 7,73 6,4 12,7 13,4 12,5 7,84 1,66 | 1,72 1,72 5,35 5,35 2,66 6,52 5,18 6,58 2,58 1,84 1,92 1,95 1,51 12,9 13,8 30,9 0,73 2,63 39,2 37,8 8,13 0,62 |
За рубежом, методы впрыска воды или пара в камеру сгорания с целью снижения выбросов оксидов азота используется иногда только на крупных электростанциях.
Существующие методы химической очистки дымовых газов от оксидов азота условно в принципе можно разделить на три группы [18].
1. Окислительные, основанные на окислении оксида азота в диоксид с последующим его поглощением разного рода поглотителями;
2. Восстановительные, основанные на восстановлении оксида азота до азота и кислорода с применением разного рода катализаторов;
3. Сорбционные, основанные на поглощении оксидов азота разного рода сорбентами (например, адсорбция диоксида азота торфом, водными растворами щелочей и т.п.).
Применительно к использованию ГТУ на газопроводах, основными направлениями борьбы с вредными выбросами с продуктами сгорания следует считать разного рода реконструкцию камер сгорания ГТУ с горелочными устройствами, организацию самого процесса сгорания топлива в камерах, включая метод предварительного смешения определенной порции воздуха и топлива перед подачей их в камеру сгорания и т.п.
Многочисленные исследования процессов горения топлива в камерах сгорания ГТУ проведенные различными авторами и организациями показывают, что основным направлением по снижению выбросов оксидов азота следует считать уменьшение объема зон горения с максимальным уровнем температуры. Это связано прежде всего с повышением качества процесса смесеобразования, обеднением рабочей смеси на участках формирования фронта пламени, организацией ступенчатого подвода топлива и воздуха по длине камеры сгорания.
Так, например, реконструкция камер сгорания на агрегатах типа ГТК-10 за счет установки новых регистров и изменения отверстий в горелках, перераспределение воздушных потоков первичного воздуха, использовании так называемого «микрофакельного» горения, проведенные на ряде компрессорных станциях предприятия «Мострансгаз» позволили снизить содержание NOx, в выхлопных газах более чем в два раза. Термин «микрофакельное горение» подразумевает организацию сжигания топлива посредством создания целой системы многочисленных малых факелов в камере сгорания. Однако удорожание и усложнение производства таких горелок для снижения выбросов оксидов азота представляется не очень оправданным
В последние годы делаются попытки создать так называемые двух зонные камеры для сгорания в них топлива. Сущность этого метода заключается в том, что в первичную зону горения, воздух подается в меньшем количестве, чем это теоретически необходимо для горения (a1» 0,80-0,90), в результате чего происходит снижение максимальной температуры горения в зоне факела, снижение содержания кислорода в ядре факела и, как следствие, уменьшение скорости образования оксидов азота.
Во вторую зону горения вводится уже избыточное количество воздуха (a > 2). Из-за разбавления продуктов сгорания воздухом, последующее горение протекает также при более низкой температуре, вследствие чего во вторичной зоне горения оксиды азота практически не образуются.
Применение двухстадийного горения топлива в камерах сгорания ГТУ позволяет снизить выход оксидов азота до 45-50% от начального выхода при сжигании природного газа. Однако двухстадийное сжигание топлива связано с разработкой достаточно сложной конструкции камеры сгорания, что не в полной мере компенсируется снижением эмиссии NOx.
В настоящее время наиболее простым и относительно дешевым способом снижения выбросов оксидов азота с продуктами сгорания следует считать способ, основанный на предварительном смешении топлива с воздухом (обедненная смесь) до подачи компонентов в зону горения. Иначе говоря, качество предварительной подготовки топливо воздушной смеси является основным направлением по снижению образования NOx при сжигании природного газа в камерах сгорания ГТУ. Этот вывод подтверждается результатами многочисленных исследований режимов работы ГТУ на магистральных газопроводах.
