Використання каталітичних камер згорання у складі ГТУ

Дослідження застосування каталітичного горіння в камерах згорання ГТУ з метою створення екологічно чистих установок проводять фірми й організації General Electric Corporation, U. S. Department of Energy, Solar Turbines Incorporated, Toshiba та ін. Перші дві фірми об'єднали свої зу­силля в спільній програмі Advanced Turbine System, відповідно до якої передбачено виробництво після 2000 року газових турбін з емісією окси­дів азоту (NOx < 8 ррт)* і оксиду вуглецю (CO < 15 ррт)** з подальшим зменшенням емісії NOx до 5 ррт і CO до 10 ррт. Досягнення таких низь­ких показників можливе тільки із застосуванням каталітичного горіння, яке гранично може забезпечити зниження рівня емісії NOx до 1 ррт.

Потреба застосування каталітичної технології в камерах згорання ГТУ зумовлена тенденцією підвищення початкової температури ГТУ в сучасних двигунах до 1200... 1300°С з доведенням цього показника в майбутньому до 1 600 °С.

Збільшення початкової температури ГТУ потребує за термодинамічни­ми умовами підвищення циклового тиску з 0,8... 1,0 МПа для низькотемпе­ратурних установок до 3,0 МПа для високотемпературних газових турбін.

· 1 ррт NOx = 2 мг/м³ N0x.

· **1 ррт CO = 1-10^{- 4} % об. CO.

 

Одночасне підвищення температури і тиску зумовлює зростання емі­сії термічних оксидів азоту.

У каталітичних камерах згорання передбачено об'єднання в одному тех­нологічному ланцюжку таких елементів: первинного пальника (для попере­днього підігріву повітря до 673...773 К), змішувача-стабілізатора (для досяг­нення потрібного рівня гомогенізації паливоповітряної суміші, яка подається на каталітичну насадку), каталітичного реактора (для реалізації низькотемпе­ратурного до 1273 К окиснювача горючої суміші) і термічного реактора (де відбувається догорання в режимі самозапалювання до 1273... 1773 К палива, що не «вигоріло», на каталізаторі реактора, і «третинного» палива, що пода­ється після реактора в зону гомогенного окиснювання).

Каталітичний реактор являє собою жаростійку пористу насадку (на ме­талічній або керамічній основі), на поверхню якої наносять шар (у вигляді тонкої плівки) каталізатора на основі платини Pt, паладію Pd та ін.

Виходячи з аналізу робочого процесу камер згорання ГТУ тради­ційного типу (на основі дифузійних технологій спалювання палива), модернізованого типу DLN* і камер згорання на основі застосування каталітичної технології, можна визначити головний фактор, який якіс­но обґрунтовує ефект зниження емісії NOx. Це стосується розподілу і рівня температур уздовж камери згорання. У традиційних камерах зго­рання (з дифузійним сумішоутворенням і розподілом повітря на пер­винне та вторинне) високого рівня температур досягають у первинній зоні горіння. Це стосується збільшення середнього і максимального рівня температур порівняно з рівнем температур, який відповідає ката­літичним камерам згорання. Ця обставина є основною причиною висо­кого рівня емісії NOx у традиційних камерах згорання порівняно з ка­мерами згорання, які працюють на бідній попередньо підготовленій суміші (DLN і каталітична технологія).

У каталітичних камерах згорання локальні максимуми температур з'являються тільки в зоні догорання первинного пальника. Вплив цього температурного максимуму на загальну емісію NOx невеликий за раху­нок малої частки подачі палива (до 20 %) на первинний пальник у но­мінальному режимі роботи, а в зоні каталітичного і термічного реакто­ра реалізується практично однорідне температурне поле в умовах нерів­номірності не більше 8 % від мінімального рівня середніх температур, що забезпечує істотне (на декілька порядків) зниження швидкості утворення термічних NOx.

* DLN (Dry - Low - NO,) - технології зниження емісії NO, на основі використання камер згорання з попереднім змішуванням палива і окиснювача.

 

Каталітичну технологію можна легко пристосувати як до нових перс­пективних типів ГТУ і ПГУ (які знаходяться на стадії проектування), так і для установок, що знаходяться в експлуатації (за рахунок відповідної реконструкції).