В настоящее время становится весьма актуальной проблема утилизации низкопотенциальных газообразных топлив с получением электрической энергии при обеспечении санитарных норм.
К низкопотенциальным газообразным топливам можно отнести: пиролизный газ термической переработки углеродосодержащих твердых бытовых и промышленных отходов. Также к ним относятся дымовые газы различного вида производств: доменный газ, синтезгаз переработки древесных отходов; газ, выбрасываемый в атмосферу предприятий получения технического углерода; газ, получаемый в процессе утилизации покрышек, отходов ила водоканалов и многих других процессов утилизации. [1, с.30]
Кроме низкопотенциальных газообразных топлив имеются высокопотенциальные газообразные топлива, например, попутный газ месторождений нефти и газ, получаемый в результате нефтепереработки. Простое сжигание такого газа затруднено наличием в его составе компонентов (например, серы), которые отрицательно влияют на окружающую среду.
Для утилизации энергии низкопотенциальных и высокопотенциальных «загрязненных» газообразных топлив используются энергетические установки на основе паровых турбин и газомоторных двигателей. Существуют разработки применения газотурбинных и парогазотурбинных энергетических установок. [2, с. 21]
Были разработаны схемы, проведены расчеты и анализ полученных результатов процесса утилизации низкопотенциальных и высокопотенциальных топлив с наличием загрязняющих компонентов с применением газотурбинных установок различных функциональных схем выполнения. [3, с. 92]
Первая – функциональная схема сжигания низкопотенциального газообразного топлива при давлении в газодинамической системе выше атмосферного. Она включает в себя компрессор, нагнетатель сжигаемого газа, камеру сгорания, турбину, электродвигатель и теплообменное устройство для регенерации теплоты продуктов сгорания.
Рабочий процесс осуществляется так. Сжигаемый газ сжимается с помощью нагнетателя и подается в камеру сгорания. Также в качестве окислителя подаётся атмосферный воздух, предварительно сжатый компрессором и нагретый в секции теплообменного устройства.
Газообразные продукты сгорания из камеры сгорания поступают в турбину. Твёрдые компоненты и зола скапливаются в устройстве удаления твёрдых компонентов.
Турбина преобразует энергию продуктов сгорания в механическую энергию, а затем в электрическую в электрогенераторе. Продукты сгорания из турбины проходят через теплообменное устройство. В нем осуществляется утилизация их теплоты, передаваемая воздуху, который поступает из атмосферы.
Достоинствами схемы являются традиционная конструкция и механические связи основных агрегатов, а также возможность использования аналогов – серийных ГТУ низкой электрической получаемой мощности. Это вызвано широкой областью применения, простотой конструктивного выполнения и приемлемыми выбросами в окружающую среду. [4, с. 255]
Однако практически все аналоги ГТУ, работающие по данной схеме, не способны работать без дополнительной подготовки и конструктивных доработок на указанных выше газообразных топливах. Это связано с характеристиками данных топлив. При наличии в топливах вредных составляющих необходима очистка продуктов сгорания, ликвидация синтеза вредных компонентов.
Для чистого сжигания газа применяется камера сгорания вихревого противоточного типа. Она содержит в своей конструкции лопаточный регулируемый закручивающий аппарат, который создает сильно закрученный вихревой поток. При этом одна часть воздуха из компрессора идет непосредственно в жаровую трубу, а другая – на охлаждение наружной стенки жаровой трубы. Это позволяет изолировать стенки камеры сгорания от высоких термических нагрузок. [5, с. 306]
Регулируемый лопаточный закручивающий аппарат дает возможность управлять закруткой, а, следовательно и термогазодинамическими параметрами, расположением зоны горения и временем пребывания продуктов сгорания в зоне максимальной температуры, что предотвращает возможность образования окислов азота.
За счет сильно закрученного потока увеличивается скорость химических реакций, происходит интенсификация тепломассообменных процессов, обеспечивается высокая полнота сгорания.
В конструкции камеры сгорания предусмотрена подача химических реагентов, например известкового молочка, которое связывает серу и хлор в безопасные соединения.
Исследования независимых лабораторий показали, что с применением камеры сгорания вихревого противоточного типа полученный на выходе выхлопной газ содержит в себе количество вредных веществ не превышающее допустимые нормы.
Вторая – функциональная схема сжигания низкопотенциального газообразного топлива при давлении в газодинамической системе ниже атмосферного, которое создается компрессором. Её преимущества – это отсутствие необходимости применения нагнетателя сжигаемого газа и низкая вероятность выбросов вредных компонентов в окружающую среду. Основным недостатком является увеличение габаритов и массы установки при той же производительности.
Третья функциональная схема реализует технологический процесс сжигания низкопотенциального газообразного топлива при давлении в газодинамической системе выше атмосферного с разомкнутой механической связью турбины и компрессора. Достоинство этой схемы состоит в использовании электрической связи между основными агрегатами установки: компрессором, турбиной и нагнетателем сжигаемого газа. Однако при этом увеличивается количество используемых агрегатов, а соответственно и масса установки.
Четвертая – функциональная схема сжигания низкопотенциального газообразного топлива при давлении в газодинамической системе ниже атмосферного с разомкнутой механической связью турбины и компрессора. Данная схема объединяет в себе преимущества второй и третьей схемы.
Недостатком всех перечисленных схем является необходимость доработки основных узлов при переходе на низкопотенциальное топливо.
Для всех четырех схем выполнены расчеты для каждого из рассматриваемых газообразных топлив. В результате определена электрическая энергия, передаваемая внешнему потребителю, а также электрический и термический КПД технологического процесса сжигания низкопотенциальных и высокопотенциальных газообразных топлив, содержащих вредные для окружающей среды компоненты.
Опираясь на результаты этих расчетов можно осуществить выбор расчетных схем ГТУ. Он определяется также наличием достоинств и недостатков каждой из них и во многом зависит от области применения ГТУ, определяемой характеристиками сжигаемых газообразных топлив, выполнением конструктивной схемы ГТУ и другими факторами.
Библиографический список
- Ляпина И.О. Выпускная квалификационная работа. Термодинамический анализ установки термической переработки углеродосодержащих отходов с утилизацией получаемой теплоты. – Рыбинск.: РГАТУ, 2016 – 86 с.
- Манулин Э.А. и др. Теория и проектирование газотурбинных и комбинированных установок. Под ред. доктора техн. наук В.В. Уварова. – М.: Машиностроение, 1977 – 447с.
- Маслов В.Г., Кузьмичев В.С., Григорьев В.А. Выбор параметров и проектный термогазодинамический расчет авиационных газотурбинных двигателей. – Куйбышев: КуАИ, 1984, 176 с.
- Газотурбинные технологии. Каталог газотурбинного оборудования. – Рыбинск: Издательство ООО «Инсайт-Полиграфик», 2009. 392 с.
- Лефевр А. Процессы в камерах сгорания ГТД. Пер. с англ. – М.; Мир, 1986 г. 566 с., ил.
Количество просмотров публикации: Please wait