Газотурбинные и парогазовые установки в России. Парогазовая установка с вводом пара в газовую турбину - перспективное направление развития энергетических установок, страница 13

Основными загрязняющими атмосферу компонентами в отработанных газах ПГУ на природном газе являются оксиды азота N0х. Процесс горения в камерах сгорания (КС) происходит при составе топливовоздушной смеси в зоне реакции, близком к стехиометрическому, в так называемых "стехиометрических зонах" [6]. Параметры этих зон (температура, давление, интенсивность переноса тепла и вещества, время пребывания газа в них) в значительной мере определяют не только скорость горения, но и скорость образования тех оксидов азота, которые называют "термическими" (их вклад является преобладающим). Наиболее сильное влияние на выбросы NO_Xоказывает температура в стехиометрических зонах. Ввод в зону реакции водяного пара, который в данном случае является инертным компонентом, снижает температуру в этой зоне, что приводит к заметному уменьшению выбросов оксидов азота. Согласно выполненным в ИВТ РАН расчетам при отношении расхода пара к расходу природного газа, равном примерно двум, эмиссия NOх во фронте пламени снижается более чем на порядок. В этом плане эффективность подвода пара в камеру сгорания оказывается максимальной в том случае, если необходимая для снижения температуры стехиометрической зоны часть пара подается вместе с топливом.

Отметим, что даже при пониженной температуре в стехиометрической зоне равновесная концентрация N0х, отвечающая этой температуре, остается весьма высокой, заметно превышающей допустимые нормы для N0х в продуктах сгорания. Однако в реальных условиях сжигания топлива в камере сгорания ГТУ равновесная концентрация N0х никогда не достигается. Из-за малого времени пребывания в стехиометрической зоне концентрация N0х оказывается много меньше равновесной. Образование N0х продолжается в после пламенной зоне - в объеме КС. Оптимизация подвода и смешения вторичного воздуха и оставшейся части инертного компонента (пара) с первичным потоком, снижение времени пребывания продуктов сгорания в КС и уровня температур в ней самым радикальным образом сказываются на концентрации NОх на выходе из камеры.

Предварительное смешение топлива с паром "улучшает" соотношение объемных расходов газообразного топлива и окислителя, облегчает организацию перемешивания компонентов и организацию микрофакельного сжигания, что согласно имеющимся данным ведет к снижению выбросов NОх. [3]. На рис. 4 приведены опытные данные  по влиянию ввода водяного пара на концентрацию N0х в продуктах сгорания. Налицо заметное снижение содержания NO_X с ростом  Х - отношения количества впрыскиваемого пара к расходу топлива.

Наряду со снижением содержания оксидов азота при чрезмерном уменьшении температуры газа в "стехиометрических зонах" возможно образование продуктов неполного сгорания топлива в виде оксида углерода СО и др. В частности, на это указывают данные, приведенные на рис. 4. Видно, что в условиях экспериментов [7] существовала определенная, не очень широкая зона, Х=1,4-5-1,б, в которой концентрации и NO_X, и СО находились в пределах современных норм. Интенсивность образования СО сильно зависит от конструкции горелочного устройства КС - эффективное смешение топлива и окислителя компенсирует понижение теоретической температуры в стехиометрических зонах и предотвращает образование значительного количества СО.

Выполненные на основе имеющихся литературных данных оценки показывают реальность достижения в условиях вдува в КС водяного пара приемлемых с точки зрения самых жестких норм концентраций вредных выбросов в отработанных газах ПГУ. Оптимальное распределение трех компонентов: природного газа, воздуха и водяного пара так же, как и оптимальные компоновка и размеры всех элементов конкретной камеры сгорания, может быть установлено в результате экспериментов.