Определение содержания бенз(а)пирена в уходящих газах камеры сгорания газовой турбины

УДК 621.311.22

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ БЕНЗ(А)ПИРЕНА В УХОДЯЩИХ ГАЗАХ КАМЕРЫ

СГОРАНИЯ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

А.Д. Грига, М.С. Иваницкий

В статье приведен теоретический анализ механизмов образования бенз(а)пирена при сжигании углеводородного топлива в камерах сгорания газовых турбин. Предложена методика для определения содержания бенз(а)пирена в уходящих газах камер сгорания газотурбинных установок

Ключевые слова: бенз(а)пирен, камера сгорания, уходящие газы

Исследование процессов горения органического топлива в энергетических установках с целью снижения негативного воздействия на окружающую среду является приоритетной задачей «Энергетической стратегии России до 2030 года» . При этом развитие энергетики наряду с

совершенствованием котельного оборудования должно осуществляться при помощи новых технологий генерации электроэнергии и тепла. В настоящее время все большее применение находят газотурбинные установки (ГТУ), характеризующиеся относительно большим коэффициентом полезного действия, чем паровые турбины. Обеспечение малотоксичных режимов горения топлива в камерах сгорания (КС) ГТУ требует особого внимания вследствие образования целой группы полиароматических углеводородных

соединений (ПАУ). Компонентом ПАУ, обладающим наибольшей токсичностью является бенз(а)пирен (БП). Изучение механизмов образования БП в КС ГТУ позволит обеспечить низкоэмиссионную работу энергоустановки. Отсутствие нормативных методик расчета токсичного БП в уходящих газах и механизмов его образования в КС ГТУ обуславливает необходимость исследований в данном направлении.

Основные теоретические и

экспериментальные исследования механизмов образования БП при сжигании углеводородных топлив приведены в работах [1-7].

Необходимо отметить, что детально рассматривались процессы и механизмы горения алифатических углеводородов.

Грига Анатолий Данилович - филиал «НИУ «МЭИ» в г. Волжском, д-р техн. наук, профессор, тел. (8443) 21-0178, e-mail: mseiv@vandex.ru

Иваницкий Максим Сергеевич - филиал «НИУ «МЭИ» в г. Волжском, канд. техн. наук, ст. преподаватель, тел. (8443) 21-01-78

При этом исследования, направленные на изучение механизмов генерации БП для топлив, содержащих ароматические углеводороды, проведены недостаточно полно.

Показано, что на механизм образования БП значительно влияет степень метаморфизма углеводородного топлива, причем в зависимости от влияния степени метаморфизма топлива характер протекания процесса меняется. Существуют некоторые сложности с определением промежуточных соединений в реакциях, описывающих механизм образования БП при конкретных условиях [7-11]. Проведенный анализ равновесных составов характерен для условий сжигания топлив в области составов топливовоздушной смеси, близких к стехиометрическим, при этом времена пребывания газов в зоне активного горения имеют повышенные значения. Отмечается различная степень химического недожога топлива в зависимости от времени пребывания газов в КС ГТУ [6].

Измерение концентрации БП в дымовых газах КС ГТУ осложнено значительной стоимостью измерительной техники, высокой измерительной погрешностью приборов и несовершенством методик определения. Во многих случаях для косвенного определения БП в продуктах сгорания используют значение концентрации оксида углерода [9]. В других случаях использование этого параметра неприменимо. Для более точного обоснования параметров, необходимых при определении концентрации БП косвенным способом необходимо провести исследование

механизмов образования БП в КС ГТУ.

Исследование схем и механизмов синтеза БП при горении углеводородных топлив показывает, что образование БП определяется концентрацией продуктов пиролиза исходного топлива, причем, чем больше в топливе тяжелых углеводородов, тем выше уровень образования бен(а)пирена [9-11].

Немаловажную роль в процессе генерации также играет концентрация ацетилена в топливе. Моделирование образования БП необходимо проводить с учетом термодинамических условий и химических реакций, описывающих конкретную схему синтеза полиароматических соединений. Содержание БП в продуктах сгорания обусловлено наличием топливного и термоокислительного БП. На концентрацию топливного БП в дымовых газах влияет содержание тяжелых углеводородов в исходном топливе. С другой стороны, образование термоокислительного БП связано с основными режимно-технологическими

условиями его генерации в топочных камерах котельных установок и КС ГТУ. Приведенный механизм генерации БП в КС ГТУ справедлив для всего диапазона эксплуатационных параметров газовой турбины.

Концентрацию бенз(а)пирена (мкг/м3) в уходящих газах КС ГТУ можно определить по выражению:

С

Б (а)П

=чти к,

где ч^ - поверхностное теплонапряжение камеры сгорания, МВт/м2; т = (-1,15...-1,25)-показатель степени, определяемый опытным

п

путем; икг = какмквякв - произведение,

г=1

учитывающее влияние коэффициента избытка воздуха, нагрузки, ввода влаги и вторичного воздуха в камеру сгорания газовой турбоустановки на образованиие бенз(а)пирена.

Поверхностное теплонапряжение камеры сгорания ГТУ определим по формуле

чг = вр  ор / /,

где В; - расчетный расход топлива, кг/с;

ОР - теплотворная способность топлива, МДж/кг; / - площадь поперечного сечения камеры сгорания, м2.

При этом значения коэффициентов, влияющих на генерацию бенз(а)пирена в камере сгорания предлагается определять приведенным эмпирическим зависимостям.

Коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха в КС ГТУ;

ка = ехр

где а- коэффициент избытка воздуха.

Коэффициент, учитывающий влияние степени загрузки газовой турбины;

К =

здесь МЫном - отношение фактической мощности к номинальной.

Коэффициент, учитывающий ввод влаги (воды или пара) в камеру сгорания;

квл = ехР

здесь g - доля вводимой влаги, кг влаги/кг топлива; х - коэффициент, учитывающий место ввода влаги.

Коэффициент, учитывающий влияние вторичного подвода воздуха в камеру сгорания газовой турбины;

кв = 1 + ¥7,

где у - доля вводимого вторичного воздуха; 7- коэффициент, характеризующий эффективность снижения выхода бенз(апирена.

О содержании БП в дымовых газах может свидетельствовать наличие в них оксида и диоксида углерода, водорода, сажи, метана, которые также являются продуктами химического недожога. При этом коэффициент избытка воздуха с учетом азота топлива и объема сухих дымовых газов определяется по выражению

(

а =

1 -

79 02 - 0,5СО - 0,5Н2 - 2СН,

21

N2 - N2 /Уап

V

/

,

здесь 02, СО, Н2, СН4, N2-

концентрация

кислорода, монооксида углерода, водорода, метана и азота в продуктах сгорания; N1 -содержание азота в топливе; УСг - объем сухих

уходящих газов.

Проведенные исследования показали, что на образование бенз(а)пирена значительное влияние оказывают режимные параметры, которые косвенным образом влияют на регулирование рабочей температуры в КС ГТУ.

На рисунке представлена

экспоненциальная зависимость содержания бенз(а)пирена в уходящих дымовых газах от избытка воздуха в КС ГТУ. Выявлено, что при увеличении коэффициента избытка воздуха от 2,1 до 2,5 содержание БП в продуктах сгорания снижается в 2 раза.

В отношении выбросов БП предложен механизм, описывающий наличие топливного и термоокислительного БП в продуктах сгорания.

1=1

СБП, нг/м

20 I I_ш_I_ш_ш_I_ш_1_

2,1 2,3 2,5 а

Зависимость концентрации БП от коэффициента избытка воздуха а (КС ГТУ-110) при полной нагрузке

Данное предположение объясняет образование незначительного количества БП при сжигании природного газа при максимальном недожоге и значительного содержания БП в уходящих газах при горении мазута. Жидкое топливо отличается от природного газа присутствием в своем составе тяжелых углеводородов. При этом технологические параметры сжигания топлива на процесс генерации БП влияют незначительно. Это также характеризует низкий уровень воздействия

термоокислительных факторов - температуры в зоне горения и коэффициента избытка воздуха на генерацию БП. Процесс образования топливного и термоокислительного БП при сжигании пылеугольного топлива отличается максимальным уровнем концентраций и позволяет более наглядно показать важность степени метаморфизма топлива на механизм генерации полиароматических углеводородов, в том числе БП.

Предложенная методика расчета концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах учитывает значительное количество режимных параметров КС ГТУ. В современных условиях повышения показателей экологической безопасности энергетических установок,

предложенная методика позволяет производить расчеты в широком диапазоне эксплуатационных характеристик для прогнозирования выбросов БП в воздушный бассейн.

Литература

1. Ахмедов Р.Б., Цирульников Л.М. Технология сжигания горючих газов и жидких топлив. - Л.: Недра, 1984. - 283 с.

2. Беджер Г.М. Химические основы канцерогенной активности. - М.: Медицина, 1966. - 124 с.

3. Лавров Н.В., Розенфельд Э.И., Хаустович Г.П. Процессы горения топлива и защита окружающей среды.

- М.: Металлургия, 1981. - 240 с.

4. Лавров Н.В., Стасевич Н.Л., Комина Г.М. О механизме образования бенз(а)пирена // Докл. АН СССР.

- 1972. - Т.206, № 6. - С.1363-1366.

5. Матвеев С.Г., Чечет И.В. Обоснование модели синтеза ПАУ на основе карбенного механизма пиролиза ацетилена // Проблемы и перспективы развития двигателестроения в Поволжском регионе: Докл. Междунар. научн.-техн. конференции. - Самар. гос. аэрокосм. ун-т. - Самара, 1997. - Т.2. - С.218-224.

6. Лукачев С.В., Матвеев С.Г., Урывский А.Ф. О моделировании процесса образования бенз(а)пирена на основе глобальных реакций // Изв. вузов. Сер. Авиационная техника. - 1996. - № 1. - С.62-64.

7. Frenklach M., Clary D.W., Yuan T. et al. Mechanism of soot formation in acetylene-oxygen mixtures // Combustion Science and Technology. - 1986. - V.50, № 1-3. - P.79-115.

8. Иваницкий М.С., Грига А.Д., Фокин В.М., Грига С. А. Физико-химические процессы механизмов образования бенз(а)пирена при сжигании углеводородного топлива // Вестник ВолгГАСУ. -2012. -№27(46).- С.28 - 33.

9. Иваницкий М.С., Грига А.Д. Определение концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах котельных установок и способ автоматического регулирования процесса горения // Энергосбережение и водоподготовка. -2013. - №3 (83). - С.52-56.

10. Иваницкий М.С., Грига А.Д. Суммарное негативное воздействие вредных выбросов оксидов азота и бенз(а)пирена на окружающую среду // Материалы III всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий». -Томск. -2012. - С. 112-114.

11. Иваницкий М.С., Грига А. Д., Фокин В.М., Грига С.А. Построение модели для определения концентрации бенз(а)пирена при сжигании углеводородного топлива в котельных установках систем теплоснабжения // Вестник ВолгГАСУ. -2012.- №28(47). - С.143-150.

Филиал ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Волжском

DETERMINATION OF BENZ(A)PYRENE IN THE FLUE GASES OF COMBUSTION CHAMBER OF GAS TURBINE A.D. Grigа, M.S. Ivanitsky

The article gives a theoretical analysis of the mechanisms of formation of benz(a)pyrene at combustion of hydrocarbon fuel in the combustion chambers of gas turbines. A mеthod for the determination of benz(a)pyrene in exhaust gases in the combustion chamber of gas turbine units

Key words: benz(a)pyrene, combustion chamber, the exhaust gases