Možnosti snižování emisí škodlivin při spalování zemního

Životné prostredie
Stanislav VESELÝ*
Možnosti snižování emisí škodlivin
při spalování zemního plynu
ve spalovacích komorách
plynových turbin
1 - plášť
2 - čelo
3 - plamenec
4 - směšovač
5 - krycí plášť
6 - hlavní hořák
7 - hlídací hořák
8 - vířič
9 - vířivá vrstva
10 - okno směšovače
11 - usměrňovací lopatky
12 - mezikus
13 - mezera
14 - kolektor
15 - palivo pro hlídací hořák
16 - palivo pro zapalování
17 - výstup
Obr. 1 Podélný řez spalovací komorou turbiny GT 750-6
Úvod
Na území České republiky, Slovenska a Německa je v současné době v provozu na dálkových plynovodech 134 kusů spalovacích
turbin typového označení GT 750-6 o výkonu 6 MW. Dále pak na území bývalého Společenství nezávislých států včetně Ruska je v
současné době v provozu přibližně 400 kusů
těchto turbin. Tyto turbiny byly zkonstruovány v 50. letech minulého století a nesplňovaly a některé stále nesplňují emisní limity platné v jednotlivých státech. Tyto turbiny slouží
k přečerpávání plynu na dálkových plynovodech. Totéž platí i o jiných spalovacích turbinách, které byly vyrobeny a uvedeny do provozu v 60. a 70. letech a jsou stále v provozu
po celém světě. Množství emisí škodlivých
látek, které tyto turbiny produkují a emitují
do okolní atmosféry, je značné, a proto je velice aktuální se zabývat ekologickou modernizací takových spalovacích turbin.
V tomto článku se budeme zabývat pouze
aspekty modernizace turbin GT 750-6. Autor se rovněž zúčastnil modernizace jiných
turbin, jako např. FRAME 3, FRAME 3R,
KWU - 438, GTK 10. Výsledkem vývojových a experimentálních prací jsou patentová řešení [2], [3], [4] a jiná.
Základní informace o spalovací komoře
turbiny GT 750-6 jsou v [1]. Jako palivo slouží zemní plyn, jehož základní fyzikálněchemické parametry jsou v tabulce.
Spalovací komora typu SILO je schematicky znázorněna na obr. 1 a emisní charakteristiky původní komory před modernizací
jsou na obr. 2. Přitom plnými čarami je znázorněna polynomální aproximace metodou
Analýza zemního plynu, spalování s vlhkým vzduchem
název
označení
hodnota
jednotka
hmotový díl vodíku
ωH
0,246388
-
hmotový díl uhlíku
ωC
0,737829
-
hmotový díl CO2
ωCO2
0,00135
-
hmotový díl N2
ωN2
0,014433
-
celkem
ω∑
1,000000
-
dolní výhřevnost paliva
Hu
49171
kJ kg -1
molová hmotnost paliva
Mf
16,30345
kg kmol -1
ωH/ωC
0,3339
-
d
0,006347
-
fstech
0,058768
-
charakteristický poměr H/C
měrná vlhkost spalovacího vzduchu
stechiometrický palivový poměr
4
nejmenších čtverců se stupněm polynomu
2 z měření na 95 strojích. Všechny hodnoty emisí, uvedené v tomto článku, jsou přepočteny na 15% O2 ve spalinách. Rozptyl naměřených hodnot je znázorněn čárkovanými
čarami a je zřejmé, že u statistického souboru spalovacích komor mají naměřené hodnoty značný rozptyl, který je pro tento soubor
typický a je dán následujícími vlivy:
• odchylkami v geometrii spalovacích
komor danými převážně délkou provozu
40 000 - 100 000 hodin
• odchylkami v teplotě vzduchu před spalovací komorou, které jsou dány technickým
stavem regeneračních výměníků
• odchylkami v hmotnostním průtoku vzduchu do spalovací komory, které jsou dány
technickým stavem celé turbiny.
Turbina pracuje v otevřeném cyklu s regenerací podle schématu na obr. 3, přičemž
charakteristické body cyklu jsou označeny
číslicemi 0 - 6.
Hlavní parametry
ekologické modernizace
Úkol ekologické modernizace spalovacích
komor spalovacích turbin se podstatně liší
od úkolu zaměřeného na vývoj komory pro
novou turbinu. Technické řešení ekologické
modernizace musí vyhovět některým zvláštním požadavkům, které definuji takto:
a) Modernizace musí být ekonomicky zdůvodnitelná a náklady na ni musí být nízké, poněvadž i zbytková životnost modernizovaných strojů je nízká.
b) Není možné zvětšovat rozměry spalovací
komory a její napojení na přívod vzduchu, poněvadž to vyžaduje značné náklady.
c) Je nepřípustné měnit systém regulace turbiny, a to hlavně z důvodu vysokých nákladů.
d) Modernizace nemůže zhoršovat existující provozní vlastnosti agregátu, a to zejména:
1) účinnost spalování,
2) tlakovou ztrátu spalovací komory,
3) rovnoměrnost teplotního pole
spalin před turbinou,
4) maximální teplotu kovu
horkých částí,
5) spolehlivost zapalování,
6) spolehlivost prošlehu plamene
při zapalování,
7) stabilizaci plamene v oblasti
chudé i bohaté směsi,
8) stabilitu plamene (tlakové pulzace).
e) Krátká doba odstavení stroje při modernizačních pracích.
f) Individuální přístup k ekologické modernizaci. To je dáno např. výsledky měření emisí u souboru 95 kusů turbin na obr.
2. Velký rozptyl hodnot před modernizací vyžaduje použití takové metody řešení, která umožní provést změnu parametrů pro každou komoru individuálně, a to
i tak, že princip řešení zůstává zachován.
Slovgas • 3/2004
Životné prostredie
Obr. 2 Závislost emisí NOx a CO na součiniteli přebytku vzduchu v primární zóně α1 a na vertikálním výkonu turbiny pi/pjm.
Platí pro soubor 95 turbin před modernizací
Obr. 4 Závislost emisí NOx a CO na součiniteli přebytku vzduchu v primární zóně α1 a na relativním výkonu turbiny pi/pjm před ekologickou modernizací (pilot) a po modernizaci. Platí pro 1. etapu modernizace.
To je umožněno především změnou průtoku primárního vzduchu.
g) Velmi často je ekologická modernizace
spojena s celkovou modernizací stroje.
Tak tomu bylo i v našem případě. Pak se
mění stupeň regenerace, mění se otáčky
vysokotlaké a nízkotlaké turbiny a mění se hmotnostní průtok vzduchu. Všem
těmto změnám musí být ekologická modernizace přizpůsobena.
Mnohé z uvedených požadavků jsou protichůdné a jejich splnění je komplikované.
Ve všech případech, které jsou v tomto článku popsány, probíhá spalování v difuzní oblasti. Proto mají dosažitelné hodnoty emisí
NOx a CO sve meze, což bude popsáno dále.
dané parametry součiniteli přebytku vzduchu v primární zóně αI = 2,1, a to při teplotě vzduchu na vstupu do spalovací komory
t2 = 390 °C. Sumárně řečeno, konstrukční
řešení vede ke zvýšení středního součinitele přebytku vzduchu v primární zóně, jak dokumentuje obr. 4.
Z obr. 4 je patrné, že koncentrace emisí NOx byla snížena v celém rozsahu provozních režimů turbiny pod hodnotu
100 mgm-3. Naproti tomu je koncentrace
emisí CO na hodnotě 100 mgm-3 pouze při
jmenovitém výkonu turbiny, kde je pi /pjm =
1,0. Pro snížený výkon turbiny se koncentrace emisí CO rychle zvyšují.
První etapa modernizace
Tato etapa byla vyvolána požadavkem splnit
dovolené emise NOx a CO v širokém rozsahu
výkonů turbiny pi /pjm = 0,2 - 1,0. Přitom dovolené emise jsou u NOx 300 mgm-3 a u CO
100 mgm-3. Pro řešení tohoto problému bylo použito nové konstrukční řešení, tzv. mikrodifuzní systém spalování, který je podrob-
Tato etapa je popsána podrobně v [1]. Spočívá v dodatečném přívodu vzduchu do primární oblasti spalovací komory pomocí nátrubků. Tím se snižuje střední teplota plamene v primární oblasti v nominálním bodě na
hodnotu tPRIM = 1490 °C, což odpovídá pro
S - sání
C - axiální kompresor
RE - rekuperační výměník
CCH - spalovací komora
HPT - vysokotlaká turbina
LPT - nízkotlaká turbina
Druhá etapa ekologické modernizace
GB - dmychadlo
CH - komín
Obr. 3 Otevřený cyklus spalovací turbiny typu GT 750-6,
přičemž n1 jsou otáčky HPT a n2 otáčky LPT
3/2004 • Slovgas
1 – plášť
2 – čelo
3 – plamenec
4 – směšovač
5 – krycí plášť
ně popsán v [8]. Mikrodifuzní systémy se vyznačují tím, že se zmenšuje rozměr stabilizátoru, a tím se snižuje střední doba pobytu
směsi paliva a vzduchu v zóně spalování, vypočtené podle rovnice
B
τ = ——
w
na hodnotu menší, jak 0,5 ms. Přitom charakteristický rozměr stabilizátoru je B = 0,01
- 0,025 m a střední rychlost vzduchu w je v
rozmezí 30 - 60 ms-1. Snižování střední doby
pobytu směsi paliva a vzduchu v zóně spalování snižuje tvorbu NOx. Byla vyvinuta konstrukce kruhového mikrodifuzního hořáku s
proti sobě jdoucími, rotačními proudy vzduchu. Tento systém je popsán podrobně v [6],
[7], [8].
Konstrukční řešení je znázorněno na
obr. 5, fotografie hořáku je na obr. 6.
Kruhový hořák je tvořen 5 kruhy, mezi
kterými jsou umístěny lopatky vířičů. Přitom směr točení proudu vzduchu ve viřičích
se střídavě mění. Tím se vytváří charakteris-
6 – kruhový hořák
7 – hlídací hořák
8 – okno směšovače
9 – usměrňovací
lopatky
10 – mezikus
11 – přívod paliva
do kruhového hořáku
12 – kolektor
13 - výstup
Obr. 5 Podélný řez spalovací komory s mikrodifuzním kruhovým hořákem
s proti sobě jdoucími, rotačními proudy vzduchu
5
Životné prostredie
Obr. 6 Pohled na mikrodifuzní kruhový hořák s
proti sobě jdoucími rotačními proudy vzduchu
tické proudění se soustavou toroidních vírů
[7], [8]. Byla provedena celá řada měření na
modelech při izotermických podmínkách i
při hoření. Je podrobně známa aerodynamika
proudění vzduchu za hořákem, intenzita turbulence, délka zóny stabilizace v závislosti
na geometrii hořáku. Výsledky jsou uvedeny v [7], [8].
Hořák se vyznačuje vysokou stabilizační schopností (mez stability chudé směsi je
pro přebytek vzduchu α1 = 35), krátkým plamenem, vysokou účinností spalování, rovnoměrným teplotním polem spalin za hořákem a nízkou tlakovou ztrátou. Palivo se přivádí samostatně do každého kruhu, a proto
lze využít stupňovitého spalování paliva tím,
že jsou v provozu postupně 3, 4, 5 kruhů.
Uprostřed kruhového hořáku je umístěn stabilizační hořák. Dosažené výsledky měření
emisí NOx a CO jsou na obr. 7 a obr. 8. Přitom jsou emisí charakteristiky změněny pro
provoz postupně se třemi, čtyřmi a pěti kruhy. Stabilizační hořák uprostřed je v provozu
stále. Z obr. 7 je zřejmé, že lze přepínáním
kruhových hořáků dodržet hranici koncentrace emisí CO pod 100 mgm-3 od poměrné-
ho výkonu pi/pjm = 0,15 až do plného výkonu
pi/pjm = 1,0, přičemž koncentrace emisí NOx
nepřekročí hodnotu 220 mgm-3.
Další možností, jak dále snížit emise NOx
a CO u tohoto typu hořáku je regulace hmotnostního průtoku primárního vzduchu. To lze
konstrukčně provést pomocí přestavitelné
clony, která bude regulovat průtok vzduchu
do primární oblasti spalovací komory podle
předem stanoveného zákona tak, aby bylo dosaženo v každém provozním bodě minimálních emisí NOx a CO. Toho je dosaženo v bodech emisních charakteristik, kde
se protínají křivky tvorby NOx a CO pro 3,
4, 5 kruhů. Z obr. 7 a 8 lze pak snadno zjistit, že pro výkon větší, než je pi/pjm = 0,2 lze
touto metodou dosáhnout meze koncentrací
NOx a CO kolem 110 mgm-3. To je u daného typu hořáku dosažitelná hranice minimální hodnoty emisí NOx a CO pro čistě difuzní způsob spalování. Pro další snížení koncentrací NOx a CO je pak nutné použít předsměšování paliva a vzduchu. Vývoj v tomto
směru pokračuje.
Třetí etapa ekologické modernizace
- nízkotoxický kombinovaný hořák
Trvalým trendem je neustálé zpřísňování
emisních limitů. Očekává se, že od roku
2009 bude platit v Evropské unii nový limit pro emise NOx a CO. Tento limit představuje koncentraci emisí NOx maximálně
75 mgm-3 a koncentraci emisí CO maximálně 100 mgm-3. Přitom tyto limity musí být splněny pro zatížení turbiny od 70%
do 100% jmenovitého výkonu. Uvedené limity jsou přepočteny na 15% kyslíku ve spalinách a platí pro tlak po = 1,01325 bar a teplotu to = 15 °C.
Uvedené limity nelze splnit s čistě difuzním systémem spalování, kde vždy existuje
zóna stechiometrie v primární zóně, a to je
hlavní příčina toho, že nemůže být dosažena
v difuzní oblasti spalování hranice emisí niž-
3NOx, 3CO - provoz se 3 kruhovými hořáky
4NOx, 4CO - provoz se 4 kruhovými hořáky
5NOx, 5CO - provoz s 5 kruhovými hořáky
Obr. 7 Závislost emisí NOx a CO na relativním výkonu turbiny pi/pjm
po druhé etapě ekologické modernizace
6
1 - lopatkový vířič, 2 - centrální těleso, 3 - otvory pro přívod paliva pro difuzní spalování, 4 - plášť, 5 - směšovací
komora, 6 - přívod paliva pro obvod s předem smíchanou
směsí, 7 - kuželové zúžení
Obr. 9 Nízkoemisní kombinovaný hořák
ší, než je 100 mgm-3. To umožní technologie
spalování předem smíchané směsi, kde dochází k reakci v celém objemu s konstantní
teplotou a zóna stechiometrie zde není.
Technologie spalování předem smíchané
chudé směsi paliva a vzduchu se zásadně liší
od difuzního hoření, které se používá ve spalovacích komorách tradiční konstrukce. Základní problémy při návrhu hořáků s předem
smíchanou směsí jsou následující:
• úzký interval koncentrace směsi, při které
probíhá hoření,
• možnost přeskoku plamene do směšovací komory,
• možnost samovznícení směsi paliva a
vzduchu ve směšovací komoře,
• zvýšený sklon chudé směsi k hoření s tlakovými pulsacemi.
Aby se zajistil široký rozsah provozních
režimů hořáku musí být provedeny dva nezávislé přívody paliva. Jeden přívod pro čistě difuzní spalování, druhý přívod pro spalování předem smíchané směsi paliva a vzduchu. Proto hovoříme o kombinovaném hořáku. Jeho principiální konstrukce je znázorněna na obr. 9. Hořák se skládá s lopatkového
3NOx, 3CO - provoz se 3 kruhovými hořáky
4NOx, 4CO - provoz se 4 kruhovými hořáky
5NOx, 5CO - provoz s 5 kruhovými hořáky
Obr. 8 Závislost emisí NOx a CO na součiniteli přebytku vzduchu v primární oblasti spalovací komory αI po 2. etapě ekologické modernizace
Slovgas • 3/2004
Životné prostredie
����������
������
��������
����������������
�����
������������
�������������
������
�������������
�����������
�����
����������
����������
�����
���������
���������
Obr. 10 Emisní charakteristiky nízkoemisního kombinovaného hořáku
při tlaku vzduchu pv = 0,75 MPa a teplotě vzduchu na vstupu tv = 360 oC
vířiče 1, centrálního tělesa 2, na jehož konci jsou umístěny otvory 3 pro přívod paliva pro difuzní spalování. Venkovní plášť 4
a centrální těleso 2 tvoří směšovací komoru
5, do které se přivádí palivo trubkami 6 rozdělených rovnoměrně po obvodě. Kuželovité zúžení 7 zajišťuje zrychlení proudu jako
prostředek pro odstranění přeskoku plamene
do směšovací komory 5.
Byly provedeny zkoušky tohoto kombinovaného hořáku na zkušebním zařízení s
tlakem vzduchu do 1,1 MPa teplotou vzduchu do 360 °C. Při zkouškách hořák vykazoval dostatečně dobré charakteristiky, jako například:
• spolehlivé zapalování,
• dobrý rozsah stability hoření (pro α>2 dochází k chudému odtržení plamene),
• přijatelnou teplotu horkých částí hořáku
(centrální pouzdro, kuželové zúžení),
• není přeskok plamene do směšovací komory,
• dobrá závislost emisí NOx a CO na změně
palivového poměru.
Výsledky jsou znázorněny na obr. 10
Závěr
Dosud provedené práce dokumentují trvalý
zájem SPP o snižování emisí NOx a CO při
provozu spalovacích turbin GT 750-6. Práce, které započaly v roce 1995 firmou EKOL
Brno nadále pokračují a jejich výsledkem je
snížení emisí NOx přibližně 5-krát a dodržení limitů NOx a CO v celém rozsahu provozního režimu turbiny. Zároveň s tím bylo zvýšením termické účinnosti turbin o 5-8% absolutně dosaženo úspory paliva o 22 - 30% a
také snížení emisí CO2 o 8%. To vše představuje značné snížení imisního zatížení a tím
i výrazný příspěvek SPP ke zlepšení životního prostředí. Výsledky experimentů prokazují, že v roce 2005 bude k dispozici řešení
pro dodržení emisí NOx<75 mgm-3, CO<90
mgm-3 což jsou emise vyhovující perspektivně podmínkám v EU.
Lektor: prof. Dr. Ing. Vojtech Molnár,
Dr.Sc., Strojnícka fakulta, STU Bratislava
*doc. Ing. Stanislav Veselý, CSc.,
EKOL, spol. s r. o., Brno
E-mail: [email protected]
Reference
1. SUDAREV, A. V., ZACHAROV,Y. I., VINOGRADOV, J. D., VESELÝ, S., POSLUŠNÝ, G.: Gas turbine units for pipeline compressor
stations: environmental update probleme, ASME paper No. 94-GT-497, June 1994
2. AKULOV, V. A., VINOGRADOV, J. D., ZACHAROV, Y. I., SOKOLOV, K. J., SUDAREV, A. V., TREŤJAKOV, S. I., VESELÝ, S., POSLUŠNÝ, G.: Způsob spalování paliv a spalovací komora k provádění tohoto způsobu, patent České republiky č.279187
3. AKULOV, V. A., VINOGRADOV, J. D., ZACHAROV, Y. I., SOKOLOV, K. J., SUDAREV, A. V., TREŤJAKOV, S. I., VESELÝ, S., POSLUŠNÝ, G.: Způsob spalování paliv a spalovací komora k provádění tohoto způsobu, patent Slovenska č. 278077
4. SUDAREV, A. V., ZACHAROV, Y. I., VINOGRADOV, J. D., VESELÝ, S., POSLUŠNÝ, G., PETERS, K., SCHOLZ, K. H., ZIZOW,
E.: Fuel Combustion Device and Metod, internationale Veröffentlichungsnummer WO 98/35184, internationales Veröffentlichungsdatum 13. August 1998
5. SUDAREV, A. V., VINOGRADOV, J. D., VESELÝ, S., PARÝZEK, S., SCHOLZ, K. H., ZIZOW, E.: Experience of environment update of gas-pumping units, ASME paper No. 2000 - GT - 89, May 2000
6. VESELÝ, S.: Intenzifikace přenosu tepla a hmoty jako metoda ke snižování emisí škodlivin ve výfukových plynech, mezinárodní konference Energetika a životní prostředí, H.Králové, Česká republika, duben 2000
7. VESELÝ, S.: Aerodynamika mikrodifuzního hořáku s proti sobě jdoucími, rotačními proudy vzduchu a její vazba na intenzifikaci procesu spalování, konference Vnitřní aerodynamika lopatkových strojů, ČVUT Praha, duben 2001
8. SUDAREV, A. V., MAEV, V. A.: Kamery sgoranija gazoturbinnych ustanovok, Leningrad, Nedra, 1990
3/2004 • Slovgas
Č
eský odborný časopis Plyn má od májového vydania novú tvár. Predseda
redakčnej rady Petr Zobal a šéfredaktor
Otto Smrček vysvetľujú zmeny a objasňujú dôvody, ktoré viedli k tomuto kroku.
Súvisia predovšetkým so zmenou českého
plynárenstva z výrobného odvetvia na obchodnú spoločnosť zásobujúcu zemným
plynom. Tento zásadný posun bude oveľa výraznejšie odrážať aj časopis Plyn,
a to tým, že bude vychádzať ako mesačník zameraný najmä na obchodné, právne
a hospodárske záležitosti, a ako štvrťročník venovaný technickej a technologickej
problematike plynárenstva.
Sylvia Škrdlová z Energetického regulačného úradu sa v článku Vliv vstupu České republiky do Evropské unie
na české plynárenství zaoberá špecifikom
českého plynárenstva a problematikou jeho pripravenosti na vstup Českej republiky do Európskej únie.
10 let samostatné činnosti plynárenských společností je názov článku, v ktorom jeho autor, prezident České plynárenské unie a podpredseda predstavenstva
Západočeskej plynárenskej, a. s., Ing. Josef Kastl rekapituluje vývoj českého plynárenstva po roku 1989, predovšetkým
však vývoj od roku 1994. Je to obdobie,
v ktorom došlo k reštrukturalizácii a rozdeleniu pôvodného koncernového Českého plynárenského podniku na celý rad samostatných podnikov a začala sa privatizácia českého plynárenstva.
Činnosť Združenia pre racionálne
a ekologické využívanie zemného plynu
(SREP) predstavuje v rozhovore pod názvom Racionálni spolupráce prospěje
využívaní zemního plynu jeho konateľ
Miroslav Manďák. Námetom rozhovoru boli otázky spolupráce s distribučnými
a servisnými firmami v záujme spokojnosti zákazníkov a práca regionálnych združení pre zemný plyn, ktoré SREP zastrešuje na republikovej úrovni.
(lb)
7