способ очистки уходящих газов газотурбинной установки и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки уходящих газов газотурбинной установки (ГТУ), включающий установку в газоходе ГТУ термокаталитического нейтрализатора (ТКН) с развитой каталитической поверхностью в виде панелей, суммарная площадь поверхности которых, расположенная спутно направлению движения уходящих газов, превышает площадь проходного сечения газохода ГТУ, при этом устанавливают ТКН в вертикальном газоходе ГТУ, а необходимый суммарный объем панелей ТКН определяют, используя выражение:

v_k=B_у.г · ,

где v_k - необходимый суммарный объем панелей ТКН, м³;

В _у.г - объемный расход уходящих газов, м ³/с;

- требуемое время контакта уходящих газов с развитой каталитической поверхностью ТКН, исходя из необходимой степени очистки уходящих газов ГТУ, с.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемое время контакта уходящих газов с развитой каталитической поверхностью ТКН, исходя из необходимой степени очистки уходящих газов ГТУ, принимают равным 0,012-0,02 с.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, исходя из необходимой степени очистки уходящих газов ГТУ и обеспечения необходимого гидравлического сопротивления ТКН, суммарную площадь поверхности ТКН, расположенную спутно направлению движения уходящих газов, выбирают превышающей в 6-12 раз площадь проходного сечения газохода ГТУ.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что необходимое гидравлическое сопротивление ТКН принимают равным не более 400 Па.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что установку ТКН в вертикальном газоходе ГТУ осуществляют по направлению движения уходящих газов после расположения утилизатора тепла в зоне температуры уходящих газов 380÷450°С.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что доводят степень очистки уходящих газов ГТУ до значений: NO₂ 100%, NO 50-60% и СО 80-90%.

7. Устройство очистки уходящих газов газотурбинной установки (ГТУ), включающее термокаталитический нейтрализатор (ТКН), выполненный с возможностью монтажа в газоходе ГТУ по направлению движения уходящих газов и представляющий собой открытый сверху и снизу корпус, внутри которого наклонно по отношению к вертикальной оси корпуса и газохода ГТУ размещены последовательно соединенные между собой сходящиеся в смежных верхних и нижних торцах панели каталитических блоков ТКН, выполненных на основе высокопористых ячеистых материалов, причем панели каталитических блоков ТКН образованы каркасом с лонжеронами, в который вмонтированы обоймы с каталитическими блоками.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что ТКН выполнен в виде отдельной съемной секции.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что высота отдельной съемной секции ТКН не превышает высоты корпуса.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что корпус сверху и снизу по периметру имеет внешние присоединительные фланцы, приспособленные для установки на них герметизирующих элементов, стойких к высокой температуре, и для закрепления элементами крепления в газоходе ГТУ.

11. Устройство по п.7, отличающееся тем, что на поверхности панелей каталитических блоков ТКН, выполненных на основе высокопористых ячеистых материалов, нанесена в качестве катализатора пленка из редких металлов.

12. Устройство по одному из пп.7-11, отличающееся тем, что боковые торцы панелей каталитических блоков ТКН и нижние торцы крайних панелей каталитических блоков ТКН герметично примыкают к стенкам корпуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике очистки продуктов горения от вредных экологических загрязнителей (NO_х и СО) путем сухого селективного взаимодействия. При этом оксиды азота (NO_x) должны восстанавливаться до азота, а монооксид углерода (СО) окисляться до углекислоты (СО ₂).

Известным техническим решением селективной очистки уходящих газов теплоэнергетических станций (ТЭС) является восстановление NO_x аммиаком [1]. Однако санитарно-гигиенические последствия использования растворов азотной кислоты и сложности аппаратурного оформления узла очистки затрудняют масштабное использование аммиачного метода восстановления оксидов азота.

Известным техническим решением является также пропускание продуктов горения через устройства с каталитическими поверхностями [2]. При этом к катализаторам очистки уходящих газов предъявляются весьма жесткие требования: высокая активность, избирательность каталитического действия, высокая механическая прочность и термостабильность. Отсутствие конкретных инженерных решений по селективной каталитической очистке продуктов сгорания явилось причиной больших выбросов NO_x и СО на отечественных ТЭС.

Известны насыпные и монолитные многокомпонентные каталитические системы, содержащие активные металлы на различных носителях [3]. Однако и это известное решение далеко от промышленной реализации из-за ограниченности экспериментальных данных по химической кинетике каталитических реакций и технологических рекомендаций по оформлению блока очистки.

Известно техническое решение, реализующее селективную сухую очистку уходящих газов на высокопористом ячеистом материале (ВПЯМ), на металлической поверхности которого нанесена сначала подложка из оксидов алюминия, а затем металлы платиновой группы (Pt, Rh) в качестве каталитически активного слоя. Такой термокаталитический нейтрализатор (ТКН) в виде блоков размерами 70×70×30 мм применялся для очистки автомобильных уходящих газов [4].

Уходящие газы газотурбинных установок (ГТУ) содержат О₂ до 15-16%, и применение таких ТКН для больших объемов газов ГТУ весьма проблематично. Необходимы экспериментальные данные по оптимальным временам контакта уходящих газов и гидравлическим характеристикам ТКН при установке их в газоходе ГТУ.

Задачей предлагаемых способа и устройства является снижение выброса вредных экологических загрязнителей ГТУ.

Технический результат - уменьшение гидравлических потерь на ТКН и требуемого объема катализатора, повышение степени очистки уходящих газов, компактность и технологичность компоновки устройства, обеспечивающего реализацию способа.

Поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что согласно предложенному способу очистки уходящих газов газотурбинной установки (ГТУ) устанавливают в газоходе ГТУ термокаталитический нейтрализатор (ТКН) с развитой каталитической поверхностью в виде панелей, суммарная площадь поверхности которых, расположенная спутно направлению движения уходящих газов, превышает площадь проходного сечения газохода ГТУ, при этом устанавливают ТКН в вертикальном газоходе ГТУ, а необходимый суммарный объем панелей ТКН определяют, используя выражение:

V_к =В_у.г· ,

где V_к - необходимый суммарный объем панелей ТКН, м³;

В _у.г - объемный расход уходящих газов, м ³/с;

- требуемое время контакта уходящих газов с развитой каталитической поверхностью ТКН исходя из необходимой степени очистки уходящих газов ГТУ, с.

Способствует достижению технического результата то, что:

- требуемое время контакта уходящих газов с развитой каталитической поверхностью ТКН исходя из необходимой степени очистки уходящих газов ГТУ, принимают равным 0,012÷0,02 с;

- исходя из необходимой степени очистки уходящих газов ГТУ и обеспечения необходимого гидравлического сопротивления ТКН суммарную площадь поверхности ТКН, расположенную спутно направлению движения уходящих газов, выбирают превышающей в 6÷12 раз площадь проходного сечения газохода ГТУ;

- необходимое гидравлическое сопротивление ТКН принимают равным не более 400 Па;

- установку ТКН в вертикальном газоходе ГТУ осуществляют по направлению движения уходящих газов после расположения утилизатора тепла в зоне температуры уходящих газов 380÷450°С;

- доводят степень очистки уходящих газов ГТУ до значений: NO₂ - 100%, NO - 50-60% и СО - 80-90%.

В отношении объекта изобретения - устройства - технический результат достигается тем, что устройство очистки уходящих газов газотурбинной установки (ГТУ) включает термокаталитический нейтрализатор (ТКН), выполненный с возможностью монтажа в газоходе ГТУ по направлению движения уходящих газов и представляющий собой открытый сверху и снизу корпус, внутри которого наклонно по отношению к вертикальной оси корпуса и газохода ГТУ размещены последовательно соединенные между собой сходящиеся в смежных верхних и нижних торцах панели каталитических блоков ТКН, выполненных на основе высокопористых ячеистых материалов, причем панели каталитических блоков ТКН образованы каркасом с лонжеронами, в который вмонтированы обоймы с каталитическими блоками.

Способствует достижению технического результата то, что:

- ТКН выполнен в виде отдельной съемной секции;

- высота отдельной съемной секции ТКН не превышает высоты корпуса;

- корпус сверху и снизу по периметру имеет внешние присоединительные фланцы, приспособленные для установки на них герметизирующих элементов, стойких к высокой температуре, и для закрепления элементами крепления в газоходе ГТУ;

- на поверхности панелей каталитических блоков ТКН, выполненных на основе высокопористых ячеистых материалов, нанесена в качестве катализатора пленка из редких металлов;

- боковые торцы панелей каталитических блоков ТКН и нижние торцы крайних панелей каталитических блоков ТКН герметично примыкают к стенкам корпуса.

На фиг.1 представлена конструкция газотурбинной установки (ГТЭС-2,5) с газоходом и местом установки устройства очистки уходящих газов ГТУ; на фиг.2 показано устройство очистки уходящих газов ГТУ; на фиг.3 показана панель ТКН; на фиг.4 - схема крепления ТКН в корпусе устройства очистки уходящих газов ГТУ; На фиг.5 показан продольный разрез устройства очистки уходящих газов ГТУ; на фиг.6 - вид сверху на фиг.5.

Способ очистки уходящих газов газотурбинной установки (ГТУ) осуществляют следующим образом.

В газоходе 1 ГТУ по ходу движения уходящих газов монтируют устройство 2 очистки уходящих газов ГТУ, представляющее собой закрепленный в корпусе 3 ТКН с развитой каталитической поверхностью в виде панелей 4, суммарная площадь поверхности которых, расположенная спутно направлению движения уходящих газов, превышает площадь проходного сечения газохода 1.

Корпус 3 открыт сверху и снизу. Внутри корпуса 3 наклонно по отношению к вертикальной его оси и оси газохода 1 размещены последовательно соединенные между собой сходящиеся в смежных верхних и нижних торцах 5 панели 4.

Корпус 3 сверху и снизу по периметру имеет внешние присоединительные фланцы 6, приспособленные для установки на них герметизирующих элементов (не показаны), стойких к высокой температуре, и для закрепления элементами крепления (не показаны) через отверстия 7 в газоходе 1 к его ответным фланцам. ТКН выполнен в виде отдельной съемной секции. Высота отдельной съемной секции ТКН не превышает высоты корпуса 3. Панели 4 состоят из каталитических блоков 8, выполненных на основе высокопористых ячеистых материалов с нанесенной в качестве катализатора пленкой из редких металлов. Боковые торцы панелей 4 каталитических блоков 8 ТКН и нижние торцы крайних панелей каталитических блоков ТКН герметично примыкают к стенкам корпуса.

Панели 4 каталитических блоков ТКН имеют ячейки 9 и образованы каркасом 10 с лонжеронами 11. В каркас 10 вмонтированы обоймы с каталитическими блоками 8.

Каталитические блоки 8, снабженные обоймами, уложены в ячейки 9 каркаса 10. Такая секция - панель 4 каталитических блоков 8, например, площадью S _п, является основой для ТКН. В нашем случае в каркасе 10 секции уложено 40 каталитических блоков 8.

Каталитические панели 4 установлены наклонно друг к другу, а в торцах зафиксированы крепежными элементами 12.

Применительно к ГТЭС-2,5 газоход 1 имеет площадь поперечного сечения S_г (размер в сечении 1690×1690 мм). Корпус 3 устройства 2 очистки уходящих газов ГТУ имеет высоту 1000 мм. Такая термокаталитическая «проставка» вмонтирована в газоход 1 ГТУ после утилизатора тепла (не показан), т.е. в температурной зоне 380-450°С.

Устройство 2 очистки уходящих газов ГТУ изготовлено для экспериментальной проверки эффективности предложенного способа при очистке уходящих газов от NO_x и СО на ГТЭС-2,5. Каталитические блоки 8, имеющие размеры 170×100×20 мм, с помощью обойм вставлены в ячейки 9 каркаса 10. На основе собранной секции - панели 4 площадью S_п могут быть смонтированы ТКН различных геометрических размеров (в зависимости от сечения газохода ГТУ).

Благодаря наклонному расположению последовательно соединенных между собой в сходящихся смежных верхних и нижних торцах 5 панелей 4 и закреплению их в торцах между собой крепежными элементами 12 удается собрать ТКН с единой развитой каталитической поверхностью. При этом суммарное гидравлическое сопротивление ТКН не превышает 30-40 мм вод.ст. (300-400 Па).

Время контакта уходящих газов с развитой каталитической поверхностью ТКН с нанесенной в качестве катализатора пленкой из редких металлов (Pt - 80%; Rh - 20%) оказывается достаточным для полного восстановления NO₂ (NO₂+CO NO+CO₂) и частичного (до 60%) NO (2NO+2CO N₂+2CO₂). Окисление СО обеспечивается на 80-90% избытком кислорода в уходящих продуктах (2СО+O₂ 2CO₂).

Оптимальной температурой протекания каталитических реакций восстановления оксидов азота является интервал 380-450°С, поэтому устройство очистки уходящих газов устанавливают в газоходе ГТУ после утилизатора тепла. При этом следует учитывать, что в результате окисления СО температура уходящих газов возрастает.

Промышленная применимость предложенного способа подтверждается проведенными оптимизационными экспериментами.

Экспериментальные работы проводились на действующей ГТУ (г.Рыбинск, НПО «Сатурн»), предназначенной для генерации электроэнергии на собственные нужды (ГТЭС-2,5, мощностью 2,5 МВт). В ходе этих работ необходимо было найти техническое и конструктивное решение ТКН, удовлетворяющее следующим параметрам:

- гидравлическое сопротивление ТКН не должно превышать 300-400 Па;

- степень очистки уходящих газов от NO _х и СО должна составлять не менее 40-60%.

При этом противоречивость этих требований заключается в том, что время контакта уходящих газов с каталитической поверхностью, достаточное для реакций восстановления NO_х и окисления СО, обусловливает развитую поверхность ТКН, а требуемое в связи с этим увеличение поверхности ТКН может приводить к росту его гидравлического сопротивления (при последовательном расположении каталитических панелей).

Поэтому главная задача проводимых стендовых исследований на ГТЭС-2,5 заключалась в поиске оптимальных конструктивных и технологических решений, удовлетворяющих сформулированным выше требованиям.

В таблице 1 обобщены данные по шести вариантам конструкций ТКН. При этом в первых двух вариантах ТКН каталитические поверхности панелей располагали нормально к потоку уходящих газов ГТУ: в первом варианте - две панели, во втором варианте - 4 панели. В первом варианте - малое время пребывания уходящих дымовых газов, а следовательно, ничтожно малая степень очистки от NO и СО. Во втором варианте выросло время контакта и одновременно с этим выросло гидравлическое сопротивление ТКН.

Поэтому во второй серии экспериментов (варианты 3-6) каталитические панели были расположены спутно потоку уходящих дымовых газов.

Наиболее компактной и технологичной компоновкой устройства, обеспечивающего реализацию способа и удовлетворяющего требуемым параметрам по гидравлическому сопротивлению (не более 400 Па) и времени контакта на каталитической поверхности ТКН (не менее 0,012 с), являются наклонные панельные конструкции (5-й и 6-й варианты). Вместе с этим предпочтение следует отдать 5-му варианту, т.к. в 6-м варианте металлические разделительные перегородки между параллельными панелями не только повышают металлоемкость ТКН, но и подвержены температурным деформациям.

Таблица 1.
Основные параметры вариантов конструкций ТКН
Конструкции ТКН		Суммарное гидравлическое сопротивление		Время пребывания дымовых газов в ТКН, с	Примечание (соответствие требуемым параметрам)
		Па	мм вод.ст.
ТНК установлен нормально потоку	1. Панели 2	400	40	0,0014	Недостаточное время контакта
	2. Панели 4	1200	120	0,0043	Недостаточное время контакта, высокое гидравлическое сопротивление
ТНК установлен спутно потоку	3. Единый стакан в газоходе	100	10	0,0043	Недостаточное время контакта
	4.Стаканов по сечению газохода 16	300-350	30-35	0,014	Конструктивная сложность
	5. Панели наклонные	35	3,5	0,0176	Удовлетворяет обоим параметрам
	6. Панели параллельные	35-40	3,5-4,0	0,0176	Удовлетворяет обоим параметрам, но излишняя металлоемкость

Таким образом, суммарное гидравлическое сопротивление 5-го и 6-го вариантов конструкций ТКН составляет не более 40 Па (4 мм вод. ст.), а время контакта уходящих дымовых газов на каталитической поверхности равно 0,017-0,018 с, что на 45-50% больше, чем на автомобильном нейтрализаторе [4].

Поэтому в основу заявляемого изобретения была заложена конструкция ТКН по пятому варианту (Фиг.2).

При этом в таблице 2 приведены экспериментальные данные по степени очистки уходящих газов в зависимости от количества (объема) набираемых в ТКН каталитических панелей.

Таблица 2.
Степень очистки
№ п/п	Количество панелей	Гидравлическое сопротивление, Па	Время контакта, с	Степень очистки, %		Примечание
				NO	CO
1	2	3	4	5	6	7
1	8	1260	0,008	31,0	63,0	Не удовлетворяет по гидравлическому сопротивлению и степени очистки
2	12	400	0,012	48,0	74,0	Удовлетворяет по гидравлическому сопротивлению и степени очистки
3	16	350	0,0176	55,0	85,0
4	20	220	0,02	64,0	91,0
5	24	185	0,04	71,0	95,0	Удовлетворяет по гидравлическому сопротивлению и степени очистки, но высокая стоимость ТКН

Количество набираемых панелей в ТКН колебалось от 8 до 24. При этом только в случае компоновки ТКН из 12, 16, 20 и 24 панелей (эксперименты 2, 3, 4 и 5) гидравлическое сопротивление и степень очистки уходящих газов отвечали требуемым параметрам.

В пятом варианте (24 панели) велика стоимость каталитических панелей (более 4% от стоимости ГТУ), что не отвечает стоимостным требованиям изготовителей и потребителей ГТУ.

Поэтому оптимальное время контакта определено в заявляемом изобретении величиной 0,012-0,02 с.

Применительно к ГТЭС-2,5 был определен требуемый объем каталитических панелей:

v_k=B _y.г· =30,77 м³/с · 0,016 с = 0,492 м³

Весовой расход уходящих газов при рабочем режиме (мощность 2,5 МВт) был равен 16 кг/с, при удельном их весе 0,52 кг/м³ объемный расход уходящих газов составляет:

.

Требуемое время контакта выбрано средним в рекомендуемом интервале 0,012-0,02, т.е. =0,016 с.

Каталитические панели имели размер: 1,69×1,0×0,02 м, т.е. объем одной панели равен 0,0338 м³ .

Следовательно, требуемый необходимый оптимальный суммарный объем панелей ТКН размещается в 15-16 панелях:

0,492:0,0338 15 панелей

В эксперименте ТКН (для ГТЭС-2,5) содержал 16 каталитических панелей.

В зависимости от количества каталитических панелей (12-24) отношение суммарной площади поверхности ТКН, расположенной спутно направлению движения уходящих газов S _п, к площади S_г проходного сечения газохода ГТУ находится в диапазоне 6÷12, т.е. соблюдается соотношение:

S _п·k/S_г=6÷12,

где: S _п - суммарная площадь поверхности ТКН, расположенной спутно направлению движения уходящих газов, м ²;

S_г - площадь проходного сечения газохода ГТУ, м²;

k - коэффициент, учитывающий уменьшение реальной площади поверхности ТКН вследствие наличия в панели каркаса, лонжеронов, обойм (k=0,85).

S _п·k/S_г=1,69·1,0·12·0,85/1,69·1,69=6 (12 панелей)

S _п·k/S_г=1,69·1,0·24·0,85/1,69·1,69=12 (24 панели)

В таблице 3 приведены составы уходящих газов ГТЭС-2,5 на рабочих режимах работы ГТУ без установки в газоходе устройства очистки уходящих газов ГТУ и с его установкой, причем устройство очистки уходящих газов включает 16 каталитических панелей ТКН.

Таблица 3.
Состав отходящих газов ГТЭС-2,5
№ п/п	Мощность, кВт	Концентрации веществ, мг/м3
		N2	NO	NO2	СО	CO2	O2	СН 4
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	2700	1024493,3	13,9	85,3	175,0	47142,1	235710,4	857,1
		1024522,8	6,26	0	26,25	49732,9	232260,3	0
2	2300	1007973,5	7,5	45,9	287,5	41249,3	244281,7	964,3
		1007989,4	3,37	0	43,12	44285,1	240319,1	0
3	1850	1003847,3	5,1	31,2	575,0	35356,6	252853,0	1021,4
		1003858,1	2,29	0	86,25	38933,5	248511,2	0
4	1450	998327,4	4,0	24,6	825,0	31428,1	261424,3	1178,6
		998335,9	1,80	0	123,75	35771,0	256327,7	0

Примечание. При характеристике концентрации веществ в числителе приведены концентрации на рабочих режимах (без установки в газоходе ГТУ устройства очистки уходящих газов), а в знаменателе - концентрации после установки предложенного устройства очистки уходящих газов в газоходе ГТУ.

Степень очистки уходящих газов от NO₂ составила 100%, NO - 50-60% и СО - 80-90%.

Таким образом, реализация предложенного изобретения приводит к существенной очистке уходящих газов ГТУ. Планируется широкое использование разработанного способа в эксплуатируемом парке ГТУ и на заводах-изготовителях ГТУ, что приведет к экологическому оздоровлению атмосферы.

Применение изобретения возможно в других топливосжигающих устройствах.

Предлагаемое устройство очистки уходящих газов предназначено для оснащения им ГТУ как на заводах-изготовителях, так и находящихся в эксплуатации на объектах (газоперекачивающих агрегатах) ОАО «Газпром». В настоящее время разрабатывается программа их изготовления и внедрения на промышленных объектах.

Источники информации

1. Носков А.С. и др. Технологические методы защиты атмосферы от вредных выбросов на предприятиях энергетики. г.Новосибирск: СО РАН, ГПНТБ, 1996, с.156.

2. Кузьмина Р.И. и др. Каталитическая очистка газовых выбросов от оксидов азота и углерода // Российский химический журнал. - 2000. - №1. - с.71-76.

3. Патенты РФ №2054959, 1996; №2062140, 1996.

4. Патенты РФ №2107171, 1998; №2163673, 2001; №2163674, 2001.