способ уменьшения вредных выбросов из газотурбинной установки с регенерацией тепла

Формула изобретения

Способ уменьшения вредных выбросов из газотурбинной установки с регенерацией тепла, заключающийся в ступенчатом сжатии окислителя с впрыском воды, подогревом сжатой смеси окислителя с водой, ступенчатом расширении рабочего тела и сжигании органического топлива в камерах сгорания перед промежуточными ступенями расширения с коэффициентом избытка окислителя меньше единицы, а в последней камере - больше единицы, отличающийся тем, что регулируя расходы окислителя, воды и топлива и поддерживая допустимые значения температуры стенок промежуточных ступеней расширения и их газодинамических трактов, а также температуру горения в последней камере сгорания, на вход и выход компрессора и между его ступенями осуществляют впрыск воды с суммарным расходом 20-40% от общего расхода рабочего тела на выхлопе, при этом в камерах сгорания перед промежуточными ступенями расширения и в газодинамическом тракте поддерживают коэффициент избытка окислителя не ниже 0,5 и температуру стенок промежуточных ступеней расширения и газодинамического тракта не ниже 730 К, а в выходной камере осуществляют процесс каталитического горения, обеспечивающий температуру 1500-1100 K, ниже температуры в предшествующих камерах сгорания, и коэффициент избытка окислителя как равный стехиометрическому, так и больше стехиометрического.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к проблеме вредного воздействия выбросов из газотурбинных установок с регенерацией тепла на окружающую среду. Оно может быть использовано в газотурбинных установках, работающих на газообразном или жидком углеводородном топливе.

Известны способы уменьшения выбросов окислов азота с помощью добавок химических реагентов в выхлопные газы. Эти способы сложны и дороги, так как требуют сооружения крупногабаритных очистительных устройств и значительного расхода химикатов. Известно, что повышенная температура воздуха на входе в камеру сгорания (800-850 К) за счет регенерации тепла полностью исключает возможность использования традиционных диффузионных камер сгорания из-за чрезмерно высокой эмиссии окислов азота, а также и гомогенных камер сгорания из-за невозможности надежного исключения проскока пламени в зону подготовки топливно-воздушной смеси. Поэтому предлагается использовать в ГТУ принципиально новый процесс сжигания топлива - каталитический с регенерацией тепла выхлопных газов. Каталитическое сжигание углеводородного топлива позволяет радикально снизить выбросы продуктов неполного сгорания (СО, НС) и окислов азота. (Пармон В.Н., Исмагилов З.Р., Фаворский О.Н., Белоконь А.А., Захаров В.М. Вестник Российской академии наук. 2007, том 77, № 9, с.820).

Однако максимальный термический и соответственно эффективный КПД предложенных ГТУ будет зависеть не от максимально допустимых температур продуктов сгорания, поступающих на вход газовых турбин, а от более низких допустимых температур, определяемых материалами составных каталитических элементов камеры сгорания, что является существенным препятствием для повышения КПД ГТУ.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ преобразования тепловой энергии в работу, заключающийся в ступенчатом сжатии окислителя с впрыском воды в дополнительный компрессор, ступенчатом расширении рабочего тела и сжигании органического топлива в камерах сгорания перед промежуточными ступенями расширения с коэффициентом избытка окислителя меньше 1, а перед последней - с коэффициентом избытка окислителя больше 1. (см. а.с. СССР SU 1560749 A1, 02C 3/00 от 30.04.90. Бюл. № 16 - прототип)

Основной недостаток известного способа состоит в том, что в последней к выхлопу камере сгорания с обычным не каталитическим горением не поддерживается более сниженная температура горения по отношению к предшествующим камерам сгорания, что в сочетаний с неограниченным значением коэффициента избытка окислителя (>1), особенно для регенеративных газотурбинных установок, не позволит получить требуемого в настоящее время допустимого уровня выброса окислов азота, оксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов (СН). Кроме того, любое значение коэффициента избытка окислителя меньшее единицы в предшествующих камерах сгорания и их газодинамических трактов, также недопустимо без поддержания необходимых величин температуры стенок, содержания воды в продуктах сгорания и коэффициента избытка окислителя. Иначе будет происходить сажеобразование, что затруднит применение этого способа.

Решаемой задачей является существенное снижение выбросов окислов азота, оксида углерода и несгоревших углеводородов в ГТУ с регенеративным подогревом сжатой смеси воздуха с водой при обеспечении высокого КПД.

Высокий термический КПД достигается за счет регенерации тепла, а также путем повышения среднетермодинамической температуры подвода тепла и снижения среднетермодинамической температуры отвода тепла, соответственно за счет ступенчатого подвода и отвода тепла.

Решение указанной задачи достигается тем, что в способе уменьшения вредных выбросов из газотурбинной установки с регенерацией тепла, заключающемся в ступенчатом сжатии окислителя с впрыском воды, подогревом сжатой смеси окислителя с водой, ступенчатом расширении рабочего тела и сжигании органического топлива в камерах сгорания перед промежуточными ступенями расширения с коэффициентом избытка окислителя меньше 1, а в последней - больше 1. Новым здесь является то, что путем регулировки расходов окислителя, воды и топлива и поддержанием допустимых значений температуры стенок на вход и на выход компрессора и между его ступенями осуществляют впрыск воды с суммарным расходом 20-40% от общего расхода рабочего тела на выхлопе, при этом в камерах сгорания перед промежуточными ступенями расширения и в газодинамическом тракте поддерживают коэффициент избытка окислителя не ниже 0,5 и температуру стенок промежуточных ступеней расширения и газодинамического тракта не ниже 730 К, а в выходной камере осуществляют процесс каталитического горения, обеспечивающей температуру 1500-1100 К, ниже температуры в предшествующих камерах сгорания, и коэффициент избытка окислителя как равный стехиометрическому, так и больше стехиометрического.

Предлагаемый способ предотвращает образование окислов азота, оксида углерода и несгоревших углеводородов, сверх допустимых норм их выброса, несмотря на наличие регенерации тепла, благодаря возможности поддерживать практически любой пониженный уровень температур в последней (выхлопной) камере сгорания, приемлемый для каталитического горения.

Известно, что как повышенная температура, так и избыток кислорода, для обычного не каталитического горения, существенно увеличивают уровень образования окислов азота. Если для снижения уровня образования окислов азота целесообразно максимально возможное уменьшение коэффициента избытка окислителя, то с точки зрения сажеобразования это уменьшение необходимо ограничивать. Предлагаемый способ позволяет устранить сажеобразование, поддерживая допустимые значения коэффициента избытка окислителя и температуры стенок газодинамического тракта соответственно содержанию паров воды в продуктах сгорания.

На фиг.1 приведена схема газотурбинной установки, реализующая способ уменьшения вредных выбросов из газотурбинной установки с регенерацией тепла,

Схема содержит компрессор 12, состоящий из ступеней сжатия 1 и смесительных камер 2, в которых происходит изобарное охлаждение воздуха за счет испарения распыленной воды, ступени расширения газовых турбин 3, 5, 7, рекуперативный регенератор тепла 9, регулирующие расход задвижки 11 и электрогенератор 10, кинематически связанный со ступенями газовых турбин и компрессора.

Способ осуществляют следующим образом. С помощью компрессора 12 сжимают смесь воды с воздухом. Распыленную с помощью форсунок воду подают в смесительные камеры 2, далее сжатую смесь подают в регенератор 9, после регенератора - в камеры сгорания 3, 5, 7. В камеры сгорания 3 и 5, кроме смеси воды с воздухом подают топливо. С помощью регулирующей аппаратуры 11 в камерах сгорания 3 и 5, в соответствии с содержанием паров воды и температурой стенок газодинамического тракта, поддерживают допустимый коэффициент избытка окислителя меньше 1, исключая сажеобразование. В камерах сгорания 3 и 5, поддерживается максимально допустимая температура. После расширения в ступенях газовых турбин 4 и 6, продукты неполного сгорания поступают в камеру сгорания 7, где также с помощью регулирующей аппаратуры 11 поддерживают температуру горения в пределах 1500-1100 К, ниже чем в камерах сгорания 3 и 5, и коэффициент избытка окислителя равный стехиометрическому или больше стехиометрического, осуществляя каталитическое дожигание топлива. Из ступени газовой турбины 8 продукты сгорания поступают в регенератор, где нагревают сжатую смесь воды и воздуха, и затем охлажденные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Вся полученная работа расширения преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератора 10. Для иллюстрации применимости предлагаемого способа было проведено численное моделирование процесса для приведенной схемы.

Топливом является синтезгаз, полученный из Березовского угля с помощью его воздушной газификации с Н₂О. Синтезгаз после «горячей» очистки в циклоне и в «горячем» фильтре имеет температуру 870 К. Коэффициент избытка окислителя и соответственно температура в 3 камере сгорания 0,61 и 1600 К, в 5 камере сгорания - 0,59 и 1600 К, в 7 камере сгорания - 1,1 и 1489 К. Относительный расход воды - 20,4%. Давление соответственно в 3, 5. 7 камерах сгорания - 7,0 МПа, 2,433 МПа, 0,846 МПа. Внутренний КПД турбин и компрессоров принимается равным 0,85. Теплотворная способность угля - 26127 КДж/кг. Для указанных параметров расчетная величина КПД установки составила 0,536 при температуре выхлопа 443,4 К. Каталитическая камера сгорания 7 может быть снабжена, например, высокотемпературным катализатором предложенным авторами Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН см. Патент № 2185238 от 20.07.2002. В зависимости от калорийности топлива и допустимой температуры лопаток турбины, количество камер сгорания и, соответственно, ступеней расширения, для предложенного способа, может быть произвольным, но не менее двух.