Газотурбинные установки сегодня широко используются в энергетике, нефтегазовой промышленности и авиации, где с их помощью вырабатывают электричество и тепло. Однако эксплуатация такого оборудования неизбежно сопровождается выбросами вредных веществ. Основную опасность представляют угарный газ и оксиды азота, которые даже в небольших количествах наносят ущерб окружающей среде и здоровью людей. Для снижения выбросов используют специальные очистные устройства, но часто это либо снижает эффективность установок, либо слишком дорого для постоянного применения. Ученые Пермского Политеха нашли новый способ снизить образование вредных веществ. Они впервые в России комплексно подошли к решению проблемы и выяснили, как уменьшить уровень угарного газа и оксидов азота. Исследование позволяет снизит объем выбросов в среднем до 30%, что напрямую сократит экологические платежи предприятий.
Статья опубликована в журнале «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации». Исследование проведено в рамках программы «Приоритет 2030».
Энергетика сегодня является основой функционирования современного общества, обеспечивая работу промышленных предприятий, систем жизнеобеспечения городов, транспорта и связи. И несмотря на развитие возобновляемых источников, для производства электроэнергии и тепла в мире широко используется органическое топливо — уголь, природный газ, продукты переработки нефти.
Проблема в том, что процесс сжигания топлива неизбежно сопровождается образованием продуктов горения. Особую опасность представляют два вещества: угарный газ и оксиды азота. Даже в небольших количествах они способные оказывать негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человека: блокировать поступление кислорода в кровь и участвовать в образовании смога и кислотных дождей. Концентрация этих веществ нормируется природоохранным законодательством, которое в последние десятилетия ужесточается как в России, так и за рубежом.
Основными источниками таких выбросов в энергетике являются газотурбинные установки, с помощью которых часто вырабатывают электричество и тепло. Их главные преимущества — высокая мощность, относительно небольшие размеры и способность быстро входить в рабочий режим. Но при всех своих достоинствах именно камера сгорания газотурбинной установки является источником образования оксида углерода и оксидов азота.
Для снижения вредных выбросов при использовании установок существует несколько методов. Один из распространенных способов — впрыск воды или пара в зону горения. Это уменьшает образование оксидов азота, но одновременно снижает эффективность установки и требует дополнительных затрат. Еще один способ — использование специальных устройств для очистки выхлопных газов. Однако они часто дорогие и работают эффективно только в определенных режимах, что делает их неприменимыми в условиях постоянного изменения нагрузки.
Помимо этого, инженеры совершенствуют конструкцию самих газотурбинных установок и их камер сгорания — меняют форму, способы подачи топлива и воздуха. Но возможности геометрической оптимизации постепенно исчерпываются, и для дальнейшего улучшения экологических характеристик требуются принципиально новые решения. В итоге ни один из существующих методов не решает проблему комплексно.
Ученые Пермского Политеха нашли новый способ сделать газотурбинные установки экологичнее. Они впервые комплексно подошли к решению проблемы и выяснили, как снизить объемы и угарного газа, и оксидов азота. Это позволит уменьшить выбросы в среднем до 30% и сократить экологические платежи за негативное воздействие на окружающую среду.
Ученые исследовали два ключевых параметра в работе камеры сгорания — температуру топлива и ее длину. Именно они в большей степени влияют на образование вредных веществ. Однако раньше инженеры рассматривали эти факторы по отдельности, и никто не изучал, как они влияют друг на друга.
Первый параметр — температура топлива. Если газ подогреть, он лучше смешивается с воздухом и полнее сгорает: угарного газа становится меньше. Но из-за высокой температуры активнее образуются оксиды азота. Второй параметр — длина камеры сгорания. Чем она длиннее, тем дольше газы находятся в горячей зоне. Если для угарного газа это хорошо, поскольку у него есть время догореть, то для оксидов азота плохо — у них появляется больше времени на образование.
Чтобы понять, как эти два противоречивых условия работают в связке и можно ли подобрать их сочетание так, чтобы снижать оба вида выбросов сразу, ученые построили трехмерные модели камеры сгорания. Они меняли температуру топлива и рассматривали варианты с разной длиной, чтобы выявить оптимальные параметры установок.
— отметил Дмитрий Безбог, аспирант кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.В ходе расчетов задавались три варианта геометрии камеры и значения температуры топлива на входе: 20, 50, 100 и 200 градусов Цельсия. Для каждого сочетания этих параметров проводили отдельный расчет и получали подробную картину того, как распределяются внутри камеры температура, скорость потоков и концентрация вредных веществ. На выходе из камеры фиксировали итоговые значения выбросов, чтобы понять, как разные режимы влияют на итоговые показатели,
В результате моделирования ученые доказали, что повышение температуры топлива приводит к снижению концентрации угарного газа в продуктах сгорания, причем независимо от того, какой длины камера. Однако важно, что при повышении до 200 градусов в самой маленькой камере концентрация оксидов азота также снизилась. Объясняется это тем, что в коротком варианте время пребывания газов в зоне горения ограничено. В результате условия для образования оксидов азота ухудшаются, даже несмотря на общий нагрев.
Противоположная ситуация сложилась в самой длинной камере. Там при максимальном нагреве топлива выбросы оксидов азота, наоборот, оказались самыми высокими. Здесь оба вредных фактора совпали: высокая температура и много времени, чтобы реакция успела пройти.
— дополнил Николай Бачев, кандидат технических наук, доцент кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические системы» ПНИПУ.Так, именно в короткой камере при максимальной температуре топлива удается добиться снижения сразу двух видов выбросов. Результаты исследования доказывают, что управляя подогревом и подбирая правильную длину камеры, можно найти идеальное сочетание, при котором уровень и угарного газа, и оксидов азота будут в норме,
Как показало исследование, предложенный подход позволяет снизить выбросы в среднем на 30%. Для крупных энергетических и нефтегазовых компаний, эксплуатирующих десятки и сотни газотурбинных установок, это означает прямую экономическую выгоду.
Уменьшение выбросов ведет к снижению экологических платежей, которые рассчитываются исходя из фактического объема загрязняющих веществ. С учетом масштабов работы отечественной энергетики это решение способно существенно снизить отчисления предприятий за негативное воздействие на окружающую среду.
Опубликованный материал предоставлен Пермским политехом.