Метод комплексної оцінки і прогнозування потужності викидів оксиду азоту із газотурбінних установок та зниження техногенного забруднення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України "КПІ"

УДК: 504.054:622.691.4:621.51

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Метод комплексної оцінки і прогнозування потужності викидів оксиду азоту із газотурбінних установок та зниження техногенного забруднення атмосфери

21.06.01 - Техногенна безпека держави

Левченко Олександр Вікторович

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському державному технічному університеті нафти і газу, Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Школьний Микола Петрович, доцент Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу, Міністерство освіти і науки України, м.Івано-Франківськ

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, професор, академік УНГА Гінзбург Михайло Давидович, завідувач відділу НДПІАСУтрансгаз ДК "Укртрансгаз" НАК "Нафтогаз України"

- доктор технічних наук, професор Запорожець Олександр Іванович, професор кафедри охорони праці Національного авіаційного університету, Міністерство освіти і науки України.

Провідна установа - Національний університет "Львівська політехніка", кафедра техногенно-екологічної безпеки, Міністерство освіти і науки України, м. Львів

Захист відбудеться “10” грудня 2001р. о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д. 26.002.05 у Національному технічному університеті України “КПІ” (03056, Київ -56, пр. Перемоги, 37).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” (м.Київ пр. Перемоги, 37).

Автореферат розісланий “ 10 ” листопада 2001 року.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, кандидат

технічних наук Круглицька В.Я.

Загальна характеристика роботи

азот газотурбінний магістральний газоперекачувальний

Актуальність теми. Для більшості держав електростанції, металургійна промисловість та підприємства транспорту газу є джерелами викиду оксидів азоту в атмосферу. Більше 95 % від загальної кількості викидів оксидів азоту поступає в атмосферу з продуктами спалення рідкого та газоподібного палива (Сигал И.Я., 1988р). Оксиди азоту є токсичними речовинами, які негативно впливають на екологічний стан навколишнього середовища України і є причиною виникнення таких явищ як кислотні дощі та смог, зниження врожайності, поширення захворювань дихальних шляхів, руйнування озонового шару (Гудериан Р., 1979, Даценко И.И., 1981, Уорк К., 1980).

Територією України перекачується значний об'єм природного газу, що пов'язано з її географічним положенням. Так по території України за 1999 рік транспортувалось близько 155 млрд. м3 природного газу. На більшості компресорних станцій на території України силовими агрегатами є газотурбінні двигуни, для яких основним паливом є природний газ, що транспортується по трубопроводах. Силові агрегати є джерелом забруднення атмосфери оксидами азоту. Серед всіх токсичних речовин, що утворюються в процесі спалення газоповітряної суміші в газотурбінних двигунах, саме вміст оксидів азоту визначає токсичність вихлопного газу на 90 -95% (Сигал И.Я., Гуревич Н.А., Домбровская Э.П. 1980р). За 1999 рік газотурбінні установки викинули в атмосферу біля 36,7 тис. т. оксидів азоту. Актуальність дослідження процесів утворення оксидів азоту в газотурбінних установках при транспортуванні газу обумовлюється тим, що близько 70 % від загального об'єму природного газу, що проходить територією України, є транзитний газ, при перекачуванні якого викинуто в атмосферу 25,7 тис. т. оксидів азоту.

На сьогоднішній день немає науково обґрунтованої методики кількісної оцінки викидів оксидів азоту в залежності від об'єму транспортування природного газу, режиму роботи газоперекачувального агрегату як на стадії проектування, так і в процесі експлуатації. До цього часу не розроблено ефективний метод зниження концентрації оксидів азоту у вихлопних газах газотурбінних установок (Глезер Б.И., 1978, Канило П.М., 1982, Манушин Э.А., 1986р.). Підвищення екологічної надійності компресорних станцій та їх техногенної безпеки для навколишнього середовища держави є комплексним завданням, яке передбачає як інженерні завдання з розробки (модернізації) нових екологічно безпечних перекачувальних агрегатів, так і впровадження нових технологій зниження концентрації оксидів азоту в продуктах викиду.

Вирішення цих проблем має соціальний та економічний аспект. Їх розв'язання неможливе без повного аналізу фізико-хімічних процесів утворення оксидів азоту в газотурбінних установках, фізичних процесів, які відбуваються в магістральних газопроводах, створення моделі процесів утворення оксидів азоту в газотурбінних установках.

Моделі процесів утворення оксидів азоту в газотурбінних установках при транспортуванні природного газу дають можливість визначити основні фактори, що впливають на утворення NO та NO2, розробити науково обґрунтовану методику оцінювання потужності викиду оксидів азоту підчас роботи газотурбінних установок, оптимізувати режими роботи газоперекачувальних агрегатів з точки зору мінімізації викидів оксидів азоту при максимальному коефіцієнті корисної дії перекачувального агрегату. Розроблені моделі дозволяють прогнозувати вплив оксидів азоту на навколишнє середовище в регіоні розміщення компресорних станцій, оцінювати матеріальні збитки, заподіяні державі внаслідок забруднення повітряного басейну при транзиті газу через територію України.

Одним з ефективних напрямків роботи з проблеми покращення стану атмосфери у регіонах розміщення компресорної станції є розробка нових хімічних методів зниження концентрації оксидів азоту у вихлопному газі газотурбінної установки, заснованих на їх хімічних властивостях

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі безпеки життєдіяльності Івано-Франківського державного технічного університету нафти і газу відповідно до зведеного плану НДР за темою 576/97: “Аналіз забруднення навколишнього середовища шкідливими речовинами при транспортуванні та збереженні газу”

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення моделі процесів утворення оксидів азоту в газотурбінних установках при транспортуванні природного газу, одержання рівняння залежності потужності викиду оксидів азоту від термодинамічних параметрів робочого тіла, витрат паливного газу та повітря в турбоагрегаті, розробка алгоритмів розрахунку потужності викиду оксидів азоту залежно від об'єму транспортування природного газу та визначення оптимальних режимів роботи газоперекачувального агрегату залежно від різних вихідних даних газотранспортної системи, використання гетерогенно-каталітичного методу зниження концентрації NOХ у вихлопному газі газотурбінної установки.

Для досягнення мети вирішуються наступні завдання:

теоретичне обґрунтування кінетики хімічних процесів утворення оксидів азоту у газотурбінній установці та при розсіюванні їх в атмосфері;

аналіз термодинамічних умов утворення оксидів азоту в газотурбінній установці для одержання залежності потужності викиду оксидів азоту від параметрів роботи турбіни та кількісної оцінки утворення NOХ в камері згорання, турбінах високого та низького тисків, вихлопному тракті турбіни;

аналітичне дослідження фізичних процесів, які відбуваються в магістральному газопроводі, з метою встановлення зв'язку між комерційним об'ємом транспортування газу, гідравлічною потужністю газопроводу, ефективною потужністю газотурбінної установки та потужністю викиду NOХ;

розробка алгоритмів розрахунку потужності викиду оксидів азоту та визначення оптимальних режимів роботи газоперекачувального агрегату залежно від об'єму транспортування газу, технічних характеристик агрегату, довжини газопроводу та проектного тиску в ньому;

теоретичне обґрунтування можливості застосування гетерогенно-каталітичної реакції для зниження концентрації оксидів азоту у вихлопному газі газотурбінної установки, підбору матеріалу каталізатора та відновлювача;

експериментальне підтвердження теоретично отриманих результатів та експериментальне вивчення утворення оксидів азоту в залежності від режимів роботи газотурбінної установки, температури, швидкості охолодження та ступеня розбавлення вихлопного газу атмосферним повітрям, вплив матеріалу каталізатора на зниження концентрації NO та NO2 у вихлопному газі турбіни;

розробка гетерогенно-каталітичного пристрою зниження концентрації NO та NO2 у вихлопному газі газотурбінної установки.

Об'єктом дослідження є фізико-хімічні процеси утворення оксидів азоту в газотурбінних установках при транспортуванні природного газу.

Предмет дослідження є потужність викиду оксидів азоту в атмосферу залежно від режимів роботи газотурбінних установок та об'єму транспортування природного газу.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше теоретично одержано рівняння потужності викиду NOх залежно від термодинамічних параметрів робочого тіла газотурбінної установки, кількості зіткнень молекул в ньому, масової витрати природного газу і коефіцієнта надлишку повітря в газотурбінній установці. Це рівняння доведено не на підставі закону діючих мас, а на законі Максвела-Больцмана та теорії імовірності і поєднує наявні хімічні теорії утворення речовин: теорію перехідного стану з теорією активних зіткнень.

2. Вперше розроблено алгоритми розрахунку потужності викиду оксидів азоту в атмосферу при роботі газоперекачувального агрегату залежно від гідравлічної потужності газопроводу, комерційного об'єму транспортування природного газу, ефективної потужності газотурбінної установки, технічних характеристик газоперекачувального агрегату, довжини газопроводу та падіння тиску в ньому. Ці алгоритми отримані не на підставі основного рівняння газопроводів, а нового підходу до аналізу динаміки руху природного газу по магістральному газопроводу.

3. Вперше запропоновано нову муфту для з'єднання трубопроводів, що захищена патентом 20251 А.

4. Удосконалено рівняння руху газової суміші по газоходу. Отримане рівняння відрізняється від наявних тим, що в нього входять коефіцієнти теплопровідності газової суміші і стінки газоходу, які враховують вплив температури на зміну тиску в газоході.

5. Удосконалено рівняння зміни приведеної потужності газотурбінної установки в процесі експлуатації. В отримане рівняння входить коефіцієнт спрацювання лопатевого апарату турбіни.

6. Удосконалене основне рівняння газопроводів яке більш точно описує динаміку руху газу по газопроводу порівняно з наявним рівнянням.

7. Дістав подальший розвиток каталітичний метод зниження концентрації NO та NO2 на базі якого розроблено гетерогенно-каталітичний пристрій .

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що отримане рівняння залежності потужності викиду оксидів азоту від термодинамічних параметрів робочого тіла газотурбінної установки та алгоритми дають можливість застосувати електронно обчислювальні машини для прогнозування розвитку екологічної ситуації в регіонах розміщення компресорної станції та державі в цілому як на стадії проектування магістральних газопроводів, так і під час їх експлуатації, робити науково обґрунтовану оцінку роботи компресорної станції з точки зору техногенної безпеки, оптимізувати режими роботи газоперекачувального агрегату з метою зменшення їх негативного впливу на атмосферу.

Практична цінність запропонованих моделей процесів утворення оксидів азоту при транспортуванні природного газу зумовлена тим, що вона дають можливість Національній акціонерній компанії “Нафтогаз України” спираючись на міжнародні правові акти з охорони навколишнього середовища та озонового шару атмосфери, ставити питання про відшкодування цих збитків від експортерів природного газу шляхом внесення цієї суми до ціни за транзит природного газу через територію України.

Гетерогенно-каталітичний метод та розроблений пристрій для зниження концентрації оксидів азоту у вихлопному газі можна застосовувати як на газотранспортних підприємствах Національної акціонерної компанії “Нафтогаз України”, так і на підприємствах енергетики та комунального господарства. Практична цінність запропонованого гетерогенно-каталітичного методу та розробленого пристрою полягає у покращенні екологічного стану навколишнього середовища. Управління магістральних газопроводів “Львівтрансгаз” рекомендував гетерогенно-каталітичний пристрій для зниження концентрації NOХ до впровадження на підвідомчих компресорних станціях.

Дослідний зразок нової муфти для з'єднання трубопроводів пройшов випробування на підприємстві акціонерного товариства “Нафтогазбуд” і рекомендований до промислового впровадження.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що автор самостійно провів теоретичні дослідження та розробив моделі процесів утворення оксидів азоту залежно від режимних параметрів роботи газотурбінних установок, об'єму транспортування природного газу.

Автор самостійно сконструював експериментально-дослідний стенд, на якому разом з к.т.н. Школьним М.П., провів дослідження факторів, що впливають на процес утворення NOХ. Самостійно здійснив моніторинг хімічного складу атмосфери у регіоні розміщення компресорної станції.

Спільно з к.т.н. Школьним М.П. провів дослідження щодо вивчення впливу зносу лопатевого апарату турбіни на зміну потужності газотурбінних установок та на процес утворення оксидів азоту.

Автор самостійно розробив конструкцію принципово нової муфти для з'єднання трубопроводів і разом з інженером акціонерного товариства “Нафтогазбуд” Чабаном О.В. провів випробування дослідного зразку.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати досліджень і положень дисертаційної роботи доповідались та отримали схвалення на Міжнародній науково-технічній нараді “Екологія в нафтогазовій промисловості” (Київ, 1998р.); ІХ Всеукраїнській міжнародній конференції аспірантів та студентів “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”, (Донецьк, 1999р.); науково-практичній конференції професорсько-викладацького складу ІФДТУНГ (Івано-Франківськ, 1999р.); на розширеному семінарі кафедри безпеки життєдіяльності ІФДТУНГ (Івано-Франківськ, 2000р.); на міжнародній науково-практичній конференції “Екологічна та техногенна безпека” (Харків, 2000р.)

Публікації. Результати проведених наукових досліджень відображені в 13 публікаціях, серед них 8 статей, 3 тез доповідей, 2 авторські свідоцтва.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота виконана на 216 сторінках друкованого тексту; вона складається з вступу, п'яти розділів, висновків, переліку використаної літератури та 7 додатків. Бібліографія складається з 132 джерел, 8 з яких іноземні. Дисертація ілюстрована 46 рисунками, результати досліджень представлені у 25 таблицях.

Зміст роботи

У першому розділі розглянуто наявні теорії процесів утворення оксидів азоту при спаленні природного газу та методи зниження їх концентрації у вихлопних газах ГТУ. Основними токсичним речовинами, які утворюються в процесі спалення газоповітряної суміші підчас роботи ГТУ, є оксиди вуглецю та азоту, що утворюються в камері згорання ГТУ.

Залежно від природи утворення, оксиди азоту поділяються на “паливні”, “швидкі” та “термічні”. Саме за “термічним” механізмом утворюється переважна більшість оксидів азоту. В зоні охолодження продуктів згорання відбувається доокислення монооксиду азоту до діоксиду.

Проведено аналіз наявних методів зниження токсичності продуктів згорання в газотурбінних установках. Досліджено вплив на утворення оксидів азоту в процесі їх формування конструктивних особливостей камери згорання (постадійне спалення палива, зміна фронтового пристрою та конструкції горілок), склад палива та його модифікація (введення присадок), температурних режимів роботи КЗ (вдування в камеру згорання води чи пари, рециркуляція продуктів згорання). Особливу увагу приділено теоретичному обґрунтуванню можливості застосування каталітичного методу очищення вихлопного газу ГТУ від оксидів азоту після турбіни низького тиску.

У другому розділі були проведені теоретичні дослідження утворення хімічних речовин, оксидів азоту в ГТУ при транспортуванні газу та встановлення залежності потужності викиду оксиду азоту від об'єму перекачки природного газу.

Для кількісного оцінювання утворення оксидів азоту при роботі ГТУ були проаналізовані хімічні реакції, які відбуваються в робочому тілі. Для дослідження кінетики цих реакцій була застосована теорія активних зіткнень та теорія перехідного стану, закон розподілу молекул залежно від їх кінетичної енергії. На підставі цього було отримано рівняння кількості утвореної k - ої речовини в результаті хімічної реакції в одиниці маси робочого тіла за одиницю часу:

, (1)

де gn - коефіцієнт, який відіграє роль ентропійного фактору, що зв'язує наявні хімічні теорії утворення речовин: теорію перехідного стану з теорією активних зіткнень;

VАТ - середня арифметична швидкість теплового руху молекул;

mk - маса однієї молекули k - ої речовини;

vk - стахеометричний коефіцієнт;

Qnk - число кількості зіткнень молекул;

Knk - коефіцієнт взаємодії, як відношення кількості зіткнень молекул, що привели до хімічних реакцій до загальної кількості зіткнень цих молекул;

l - довжина вільного пробігу молекули;

F - середня площа перерізу газового тракту ГТУ;

rСЕР - середня густина робочого тіла.

Отримане рівняння було доведено не на підставі закону діючих мас, а теорії імовірності.

Розглядаючи камеру згорання як ізольовану систему й апарат ідеального витіснення та застосовуючи рівняння (1), було отримано диференційне рівняння, яке дозволяє знайти потужність викиду оксидів азоту після камери згорання ГТУ

, (2)

де - потік вектора швидкості зміни NOX в напрямку руху елементарного потоку через площу перерізу F при виході з камери згорання;

. (3)

Швидкість утворення речовини NOX в елементарному потоці дорівнює скалярному добутку вектора швидкості елементарного потоку на градієнт зміни маси речовини NOX.

.

Крім цього було доведено, що маса речовини NOX (MNОx) є функцією ентропії st

.

Розглядаючи принципову схему камери згорання ГТУ, на якій показані ізотермічні поверхні П-П та розподіл температур Т(n-n)- Т(n-n) вздовж камери згорання, видно, що в кожному елементарному потоці В відбувається зростання температури від початкової ТП до максимальної Тmax

В цьому інтервалі температур проходить ізобарний процес для якого характерне зростання ентропії. При охолодженні елементарного потоку відбувається політропний процес. Слід відмітити, що показник політропи n буде приблизно дорівнювати показнику адіабати k. Таким чином при протіканні політропного процесу значення ентропії майже не змінюється і крива політропи ТmaxТК майже паралельна осі ОТ.

З графіку залежності потужності викиду речовини NOX від температури випливає, що кількість речовини , що утворюється в елементарному потоці, буде тим більша, чим більша температура Тmax. Оскільки залежності ентропії та швидкості елементарного потоку від координати точки мають складний характер, то для знаходження потужності викиду NOx були проаналізовані зміни, які відбуваються в газовій суміші при проходженні її від початку камери згорання до виходу з ТНТ.

Застосовуючи закон збереження маси речовини, було складено рівняння масового балансу за киснем. На його підставі отримана формула розрахунку кількості молекул , що утворились (розпались) в масі робочого тіла:

, (4)

де - витрата паливного газу та повітря по ГТУ;

VАТ.СЕР - середньоарифметична швидкість теплового руху молекул;

VГ.СЕР - середня лінійна швидкість руху робочого тіла;

L1-3 - довжина ділянки від початку камери згорання до виходу з ТНТ.

Аналізуючи хімічні реакції, які відбуваються в робочому тілі ГТУ згідно з рівнянням (4), з точки зору добутку KnkґQnk, враховувались хімічні реакції (1, 8, 11), в яких значення KnkґQnk значно більше ніж решти реакцій

Зважаючи на те, що значення Knk ґ Qnk в хімічній реакції № 2 дуже мале, можна стверджувати, що NO2 утворюється з NO за хімічною реакцєю

x1NO(g)+x2MX(g)=y1NO2(g)+y2MY(g) + qp ,

де MX - молекула невідомої речовини, яка містить хоча б один атом кисню і не має атомів азоту;

MY - невідомий продукт реакції.

Доведено, що MX є радикал НО2.

В результаті отримано рівняння потужності викиду оксидів азоту при згоранні газоповітряної суміші:

, (5)

де a - коефіцієнт надлишку повітря у камері згорання;

aT - теоретично необхідна кількість повітря для спалення природного газу;

L1-2 - довжина камери згорання;

GГ.СЕК - витрати паливного газу в ГТУ.

Враховуючи отримане співвідношення (5) та зважаючи на рівняння першого та другого початку термодинаміки і на підставі теплового балансу в камері згорання та в турбінах високого та низького тисків ГТУ, була доведена формула для розрахунку потужності викиду оксидів азоту після ТНТ

, (6)

де К - функційний коефіцієнт;

Т1-2 - середня температура в камері згорання;

mNO - маса однієї молекули NO;

Ds1-2 - зміна ентропії системи в камері згорання внаслідок хімічних реакцій утворення оксидів азоту;

WNO - кількість теплоти, що поглинається при утворенні однієї молекули NO.

Дослідження процесів в ГТУ після ТНТ показали, що на цій ділянці утворення оксидів азоту не відбувається, і кількість NOX є практично сталою величиною. Тому рівняння (6) можна застосовувати для розрахунку потужності викиду оксидів азоту в атмосферу. Зважаючи на те, що швидкість реакції окислення NO киснем дуже мала (хімічна реакція № 2 табл.1), можна зробити висновок, що основним його окислювачем в атмосфері є озон.

Для встановлення зв'язку між потужністю викиду оксидів азоту та об'ємом транспортування газу було проведено дослідження динаміки руху природного газу по газопроводу. На підставі рівняння Дарсі та нового підходу до динаміки руху газу в газопроводі були отримані рівняння пропускної спроможності газопроводів (7), падіння тиску (8) та визначення оптимальних діаметрів газопроводів (9)

, (7)

. (8)

, (9)

де pП, pК - початковий та кінцевий тиски газу.

L - довжина ділянки газопроводу;

DB - внутрішній діаметр газоходу;

- комерційний об'єм газу в секунду;

rСТ - густина газу при стандартних умовах;

ТСЕР - середня температура в трубопроводі;

С1 - постійна інтегрування, яка залежить від сил опору в газопроводі;

z - середній коефіцієнт стиснення природного газу;

R - газова стала;

,

VM - масова швидкість газу.

На підставі рівнянь (7), (8), (9) та рівняння гідравлічної потужності газопроводів N (10), залежності внутрішньої потужності нагнітача NВ (11), (12) та формули ефективної потужності ГТУ (13) були розроблені алгоритми визначення ефективної потужності ГТУ NE залежно від різних вихідних даних газотранспортної мережі. Залежності (10), (11), (12), (13) мають вигляд

, (10)

, (11)

, (12)

NE = NB + NMEX , (13)

де F - площа перерізу газопроводу

КОП - коефіцієнт опору тертя та місцевих опорів;

ТА0 - температура повітря при номінальному режимі, ТА0 = 288К;

рА0 - атмосферний тиск при номінальному режимі, рА0 = 0,1013 мПа;

rK - густина газу в кінці ділянки газопроводу;

- приведена питома внутрішня потужність нагнітача;

- приведена відносна частота обертів нагнітача;

ТА, рАТ- температура та тиск атмосферного повітря;

NМЕХ - втрати потужності ГТУ на механічний опір в системі ГТУ - нагнітач.

В свою чергу витрата паливного газу в ГТУ В залежить від ефективної потужності

, (14)

де NЕ0, hЕ0 - ефективні потужність та к.к.д. ГПА при номінальному режимі;

rПГ - густина паливного газу при температурі і тиску перед камерою згорання;

QНР - нижня теплота згорання паливного газу.

На підставі рівнянь (6) та (14) отримано рівняння потужності викиду оксидів азоту

, (15)

де , ВХ - витрата паливного газу на режимі роботи ГТУ, для якого знаходимо потужність викиду речовини , В0 - витрата паливного газу на номінальному режимі роботи ГТУ.

Оскільки витрата паливного газу В залежить від ефективної потужності ГТУ NE, яка в свою чергу визначається гідравлічною потужністю N, а звідси і об'ємом транспортування газу, рівняння (15) дає можливість визначити потужність викиду оксидів азоту залежно від комерційного об'єму транспортування газу.

У третьому розділі проведено теоретичний аналіз кінетики перебігу гетерогенно-каталітичної реакції, можливості застосування цієї реакції для зниження концентрації оксидів азоту у вихлопному газі ГТУ залежно від матеріалу каталізатора. Теоретично доведена можливість використання гетерогенно-каталітичної реакції для очищення вихлопних газів ГТУ від оксидів азоту. Обґрунтовується можливість застосування як каталізаторів матеріали: Fe2O3, Cu2O, Cr2O3, NiO, а як відновлювач - СО. Результатом гетерогенно-каталітичної реакції є не тільки розкладання оксидів азоту до елементарного азоту, а і доокислення СО до СО2. Таким чином досягається двокомпонентне зниження токсичності вихлопних газів ГТУ.

У четвертому розділі проведено аналіз експериментальних досліджень процесів утворення оксидів азоту в ГТУ. Для підтвердження теоретично отриманих висновків на КС був змонтований експериментально - дослідний стенд (рис.4)

Схема експериментально - дослідного стенду

Оскільки кінетика хімічних реакцій залежить від температури, для моделювання процесів у вихлопній трубі ГТУ на підставі молекулярно - кінетичної теорії газу і закону збереження енергії було отримано рівняння

, (16)

де rп, rк, - початкова та кінцева густина газу на довжині DL;

n - кінематична в'язкість газу на довжині DL;

cГ - коефіцієнт теплопровідності газу

dСТ - товщина стінки димоходу;

cст - коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки.

r - середня густина газу на довжині DL;

Виходячи з рівняння (16), визначаються критерії подібності процесів, які відбуваються в димоході та в дослідному стенді. На підставі цих критеріїв та числа Рейнольдса були підібрані геометричні розміри та режими роботи стенду. Враховуючи, що в отримане рівняння входять коефіцієнти теплопровідності, подібність досягається не тільки для фізичних, а й для хімічних процесів.

Проведені експериментальні дослідження показали, що:

концентрація NOx на початку та в кінці газозабірної камери практично не змінюється;

зміна концентрації NOX, NO, NO2, відбувалася незалежно від швидкості охолодження вихлопного газу:

в атмосфері основним окислювачем NO є озон;

концентрації NOX при застосуванні каталізатором Cu2O знижується на 44,2 %, Fe2O3 - 47,14 %, Cr2O3 - 53,52 %, NiO - 59,15 %. Найбільш активним матеріалом каталізатора є NiO.

рівняння (15) задовільно описує процеси утворення NO та NO2 залежно від режимів роботи ГТУ, а звідси і від об'єму транспортування газу.

У п'ятому розділі приведені матеріали, устаткування та технологія каталітичного методу зниження концентрації NOХ у вихлопному газі ГТУ. Для промислового впровадження гетерогенно-каталітичного методу зниження концентрації оксидів азоту у вихлопному газі ГТУ наведена конструкція спеціального гетерогенно-каталітичного пристрою, який монтується за допомогою принципово нової муфти з'єднання, патент 20251 А. Економічна ефективність впровадження гетерогенно-каталітичного методу дає економічний ефект 2,7 тис. грв./рік. на один агрегат.

У додатках приведені алгоритми розрахунку ефективної потужності ГТУ залежно від різних вихідних даних газотранспортної мережі, значення добутку KnkґQnk для хімічних реакцій; показники роботи агрегатів ГТК 10 - 4 та ГТК - Ц - 6,3 на номінальних режимах роботи; схема стенду для дослідження процесу зниження концентрації оксиду азоту у вихлопному газі; порівняння теоретично отриманих результатів та фактичних значень потужності викиду оксидів азоту в залежності від режиму роботи ГТУ.

Висновки та результати роботи

1. Фізико-хімічні процеси утворення оксидів азоту в робочому тілі ГТУ можна описати рівнянням швидкості хімічних реакцій окислення оксидів азоту (1). Швидкість утворення оксидів азоту в робочому тілі ГТУ залежить від кількості зіткнень молекул, енергії активації, середньої середнє арифметичної швидкості теплового руху молекул, стехіометричного та ентропійного коефіцієнтів. Швидкість реакції доокислення монооксиду азоту киснем дуже мала і основним окислювачем NO в робочому тілі ГТУ є радикал НО2. При русі вихлопного газу по газоходу сумарна концентрація оксидів азоту практично не змінюється.

2. Основним місцем утворення NO та NO2 при роботі ГТУ є високотемпературна зона камери згорання. Рівняння потужності викиду оксидів азоту з ГТУ (15) залежно від термодинамічних параметрів робочого тіла, витрати паливного газу та коефіцієнта надлишку повітря в ГТУ та розроблені алгоритми мають універсальний характер. Вони дозволяють прогнозувати екологічну ситуацію в регіонах розміщення КС, робити науково-обґрунтовану оцінку різних варіантів проектних рішень з точки зору техногенної безпеки регіону та держави, оцінити забруднення атмосфери речовиною NOX під час функціонування газотранспортної мережі, визначити оптимальні екологічно безпечних режимів роботи КС.

3. Удосконалено основне рівняння газопроводів (8), яке дає можливість визначити довжину ділянки газопроводу, його діаметр та тиск в ньому при будь-яких коефіцієнтах опору. Це рівняння, разом із запропонованими методами визначення діаметру газопроводу та тиску в ньому, дозволяє спростити проектні роботи. Падіння тиску вихлопного газу при його русі по газоходу, згідно з отриманим рівнянням руху вихлопного газу по вихлопній трубі (16), залежить від коефіцієнту теплопровідності газу та стінки газоходу і на його основі можна моделювати фізико-хімічні процеси у вихлопному газі.

4. Оксиди азоту мають властивість розкладатись на каталізаторі в присутності відновлювача на азот та кисень, тому можна застосувати гетерогенно-каталітичний метод зниження концентрації оксидів азоту у вихлопному газі ГТУ. Найдоцільніше використовувати як відновлювач - монооксид вуглецю, як каталізатор - оксиди металів Fe2O3, Cu2O, Cr2O3, NiO.

5. Проведені експерименти підтвердили теоретично отримані результати, що: сумарна концентрація оксидів азоту не змінюється по довжині вихлопної труби ГТУ; швидкість реакції окислення монооксиду азоту киснем дуже мала і основним окислювачем монооксиду азоту в атмосфері є озон повітря. Під час проведення експериментів встановлено, що зниження температури та швидкість охолодження вихлопного газу не мають значного впливу на сумарну концентрацію оксидів азоту. Рівняння потужності викиду оксидів азоту залежно від термодинамічних параметрів робочого тіла, витрати паливного газу та коефіцієнта надлишку повітря (15) задовільно описує процес утворення речовини NOх залежно від режиму роботи агрегату, а звідси і від об'єму транспортування природного газу по газопроводу. Для гетерогенно-каталітичного методу очищення вихлопного газу ГТУ надоцільніше використовувати як каталізатор матеріал NiO.

6. Гетерогенно-каталітичний метод зниження концентрації NO та NO2 можна застосовувати на базі регенеративного апарату або розробленого спеціального гетерогенно-каталітичного пристрою. При впровадженні гетерогенно-каталітичного методу або спеціального гетерогенно-каталітичного пристрою очікуване зниження концентрації оксидів азоту у вихлопному газі ГТУ досягає 57-62 %. Економічна ефективність впровадження запропонованих гетерогенно-каталітичних пристроїв на газотранспортних підприємствах дає економічний ефект 2,7 тис. грв/рік на один агрегат.

Основні положення дисертаційної роботи відображені в наступних публікаціях

1. Левченко О.В. Залежність токсичності вихлопних газів газотурбінної установки від зміни режимів роботи. // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. № 34. -- Івано-Франківськ.: ІФДТУНГ, 1997 - с. 217-231.

2. Левченко О.В. Оксиди азоту як основна токсична речовина вихлопних газів газотурбінних установок. // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. № 34. -- Івано-Франківськ.: ІФДТУНГ, 1997. - с. 231-236.

3. Левченко О.В. Залежність концентрації оксидів азоту у вихлопних газах від режимів роботи газотурбінних установок. // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. Частина І, Випуск № 35. -- Івано-Франківськ.: ІФДТУНГ, 1998. - с. 160-170.

4. Левченко О.В. Викид токсичних речовин у атмосферу з газотурбінних установок. // Нафтова та газова промисловість. - 2000. - № 1. - с. 61-63.

5. Левченко О.В. Забруднення атмосфери оксидами азоту в процесі перекачування природного газу.//Нафтова та газова промисловість. - 2001. - №1. - с. 61-63.

6. Пат. 20251 А Україна, МКИ F16L37/10. Муфта для з'єднання трубопроводів. / Левченко О.В. заявл .30.01.96; опубл 15.07.97.

7. Пат. 22677 А Україна, МКИ F16L21/04. З'єднання трубопроводів. / Левченко О.В. заявл .26.02.96; опубл 30.06.98.

8. Левченко О.В. Зниження впливу роботи газотурбінних установок на повітряний басейн, шляхом застосування каталітичного методу очищення вихлопних газів від NO та NO2.// Матеріали ІХ всеукраїнської наукової конференції аспірантів та студентів. “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”. - Донецьк. - 1999. - с. 16-17.

9. Левченко О.В., Пантазі М.В. Методи зниження концентрації оксидів азоту у продуктах згорання газотурбінної установки.// Матеріали ІХ всеукраїнської наукової конференції аспірантів та студентів. “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів”. - Донецьк. - 1999. - с. 14-15.

10. Лисяний Г.М., Школьний М.П., Левченко О.В. Двокомпонентне знешкоджування токсичних викидів газотурбінних установок. // Розвідка і розробка нафтових і газових родовищ. № 35-- Івано-Франківськ.: ІФДТУНГ,1998. - с. 171-173.

11. Школьний М.П., Левченко О.В. Вплив спрацювання лопатевого апарата газотурбінної установки на стан повітряного басейну компресорної станції. // Нафтова та газова промисловість. - 1999. - № 4. - с. 62- 63.

12. Школьний М.П., Левченко О.В. Зниження токсичності вихлопних газів газотурбінних установок методом каталітичного очищення продуктів згорання. // Матеріали міжнародної науково-технічної наради. “Екологія в нафтовій промисловості”. - Київ. -. 1998. - № 7. - с.24 - 25.

13. Шлапак Л.С., Левченко О.В. Муфта з пневмоеластичними ущільнювачами. //Матеріали науково-практичної конференції факультету нафтогазопроводів. “Шляхи підвищення якості підготовки спеціалістів для будівництва та експлуатації систем трубопровідного транспорту.- Івано-Франківськ. - 1998. - с.51.

Анотація

Левченко О.В. Метод комплексної оцінки і прогнозування потужності викидів оксиду азоту із газотурбінних установок та зниження техногенного забруднення атмосфери.

Дисертація у вигляді рукопису на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 - Техногенна безпека держави. Національний технічний університет України “КПІ”, Київ 2001.

Дисертацію присвячено питанням оцінки забруднення повітряного басейну оксидами азоту при транспортуванні природного газу та застосування гетерогенно-каталітичного методу зниження концентрації NO та NO2 у вихлопних газах ГТУ. Були доведені рівняння пропускної спроможності газопроводів, падіння тиску в ньому та отримана формула для визначення оптимального діаметру газопроводу. За допомогою цих рівнянь можна розраховувати стаціонарні режими роботи газопроводів і вони дозволяють встановити зв'язок між гідравлічною потужністю газопроводу, ефективною потужністю ГТУ та витратою паливного газу. Доведено рівняння потужності викиду оксидів азоту в атмосферу при роботі ГТУ залежно від режимів роботи та об'єму транспортування природного газу. Це рівняння дозволяє здійснювати моніторинг та управління екологічною ситуацією в регіонах розміщення КС та оцінювати шкоду заподіяну навколишньому середовищу.

Зниження концентрації оксидів азоту у вихлопному газі ГТУ досягається шляхом впровадження спеціального гетерогенно-каталітичного пристрою, в принцип дії якого покладено процес розкладання NO та NO2 на поверхні каталізатора в присутності відновлювача.

Ключові слова: оксиди азоту, забруднення повітряного басейну, транспортування природного газу, гетерогенно-каталітичний метод.

Аннотация

Левченко А.В. Метод комплексной оценки и прогнозирования мощности выбросов оксида азота из газотурбинных установок и снижение техногенного загрязнения атмосферы

Диссертация в виде рукописи на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 - Техногенная безопасность страны, Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев 2001.

Диссертация посвящена вопросам оценки загрязнения воздушного бассейна оксидами азота при транспортировки природного газа и разработке новых методов снижения их концентрации в выхлопных газах ГТУ.

В диссертации проведён анализ механизмов образования оксидов азота. Были доказаны уравнения пропускной возможности газопроводов, падение давления в нем и получена формула для определения оптимального диаметру газопровода. Усовершенствовано основное уравнение газопроводов. С помощью этих уравнений можно рассчитывать стационарные режимы роботы газопроводов и они позволяют установить связь между гидравлической и эффективной мощностью газопровода и расходом топливного газа.

В диссертации было получено уравнение зависимости выброса оксидов азота в атмосферу при работе ГТУ от термодинамических параметров рабочего тела, затраты топливного газа по ГТУ, коэффициента избытка воздуха. Это уравнение позволяет осуществлять мониторинг и управление экологической ситуацией в регионе размещения КС и оценивать вред, который наносится окружающей среде газотранспортными предприятиями.

Теоретически и экспериментально установлено, что концентрация оксидов азота практически не меняется по длине выхлопной трубы ГТУ, скорость охлаждения выхлопного газа не влияет на суммарную концентрацию оксидов азота, основным окислителем NO в ГТУ является радикал НО2, а в атмосфере - озон. Уравнение зависимости выброса оксидов азота в атмосферу при работе ГТУ удовлетворительно описывают процесс образования NOх в зависимости от режима работы ГТУ, объема транспортирования природного.

В диссертации теоретически и экспериментально доказана возможность применения гетерогенно-каталитического метода для снижения концентрации оксидов азота в выхлопном газе ГТУ. Для промышленного применения этого метода разработана конструкция специального гетерогенно-каталитического устройства, которое монтируется при помощи новой муфты соединения, патент 20251 А. Экономическая эффективность внедрения такого устройства на газотранспортных предприятиях даст экономический эффект 2,7 тыс грв/год на один агрегат.

Ключевые слова: оксиды азота, загрязнение воздушного бассейна, транспортирование природного газа, гетерогенно-каталитический метод.

Abstract

Levchenko A.V. Method of complex evaluation and forecasting ejection oxide of nitrogen from gas turbine and reduction of atmosphere contamination

Thesis as the manuscript on deriving of a scientific degree of the candidate of engineering science on speciality 21.06.01 - Environment state safety. National technical university of Ukraine " КPІ ", Kyiv 2001.

The thesis deals with the problem of evaluation of air pool contamination by nitrogen oxides from natural gas transportation of and application of the heterogeneous - catalytic method of concentration NO and NO2 reduction in exhaust gases GTP. The equations of pressure and length of gas pipeline part depending on acceleration of movement of gas in the pipeline and equation of dependence of ejection of nitrogen oxides in atmosphere with GTP at work on operational modes and on amount of natural gas transportation were proved. These equations allow to realize monitoring and control of ecological situation in the region of КS accommodation and to evaluate harm, which is don to the environment by gas transportation enterprises.

The reduction of concentration of nitrogen oxides in exhaust gas GTP is achieved by introduction of the special heterogeneous - catalytic system. The process of expansion NO and NO2 on the surface of the catalyst in presence of the restorer is fixed in the principle of its operation.

Key words: nitrogen oxides, air pool contamination, natural gas transportation, heterogeneous - catalytic method.

Размещено на Allbest.ru

...