Расчет выбросов загрязняющих и коррозионно-активных веществ при сжигании серосодержащего попутного нефтяного газа в микрогазотурбинных энергетических агрегатах

УДК 621.122

О.А. Зуева, Р.В. Бульбович, Н.Ю. Бачева

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

РАСЧЕТ ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ И КОРРОЗИОННО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ СЕРОСОДЕРЖАЩЕГО ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА В МИКРОГАЗОТУРБИННЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ АГРЕГАТАХ

С целью уменьшения выбросов загрязняющих и коррозионно-активных веществ и получения электроэнергии при утилизации попутного нефтяного газа (ПНГ) рассматривается его использование в качестве горючего для микрогазотурбинного энергетического агрегата (МГТЭА). Еще на стадии проектирования необходимо предусмотреть влияние способов организации рабочего процесса в камере сгорания (КС) на уровень выбросов, а также использование соответствующих конструкционных материалов для увеличения ресурса работы МГТЭА. Приведены результаты исследования экологических показателей МГТЭА при различных условиях сжигания ПНГ.

Ключевые слова: параметры МГТЭА, ПНГ, загрязняющие и коррозионно-активные вещества, концентрация, выбросы.

O.A. Zueva, R.V. Bulbovich, N.Yu. Bacheva

Perm National Research Politechnic University

THE CALCULATION OF THE CONTAMINATED AND CORROSIVE SUBSTANCES EMISSION DURING COMBUSTION OF SULPHUR-CONTAINING ASSOCIATED PETROLEUM GAS IN THE MICROGASTURBINE UNITS

It is considered the application of associated petroleum gas in the utilization as the microgasturbine unit fuel to decrease the contaminated and corrosive substances emission and to generate electric power. Even at the planning stage it is necessary to provide for the influence of the organizing the working process in the combustion chamber on the level of emissions, as well as the use of appropriate construction materials for increase the working resource of microgasturbine unit. The investigation results of the microgasturbine unit ecological parameters in different conditions of combustion are presented.

Keywords: microgasturbine unit parameters, associated petroleum gas, contaminated and corrosive substances, concentration, emissions.

Современный микрогазотурбинный энергетический агрегат (МГТЭА) состоит из турбокомпрессора с электрогенератором, малоэмиссионной КС, рекуператора, топливной системы с дожимным компрессором, системы управления и запуска турбогенератора.

При сжигании ПНГ в КС МГТЭА образуются следующие загрязняющие и коррозионно-активные вещества: окись углерода СО, оксиды серы SOx (SO2 + SO3), оксиды азота NOx (NO + NO2), полицикличе-ские углеводороды (главным образом бензапирен С20Н12).

Расчет и сравнение выбросов загрязняющих и коррозионноактивных веществ проведены при различных условиях сжигания ПНГ в КС МГТЭА 1-го и 2-го поколений, режимные параметры которых представлены в табл. 1.

Таблица 1

Параметры МГТЭА 1-го и 2-го поколений

Название параметра Величина

МГТЭА 1 -го поколения МГТЭА 2-го поколения

Температура в КС Тк, К °с 1223 950 1553 1280

Коэффициент избытка окислителя а 16,5 7,5

Массовый расход горючего С, кг/с 0,007 0,004

Объемный расход горючего Qrор, нм3/с 0,004 0,002

Содержание свободного кислорода в ПС ^2,0% 20,2 18,6

Объемный расход «сухих» ПС Qсух, нм3/с 0,423 0,167

Объемный расход «влажных» ПС Qвл, нм3/с 0,433 0,177

Температура воздуха на входе в КС ТоКВх, К ос 927 645 1110 837

Методика расчета экологических показателей МГТЭА

Количество молей компонента і, образуемого на моль топливного газа, стехиометрически сжигаемого с воздухом,

N

пі=Е п^уі,

н

где N - количество компонентов в составе ПНГ; - объемная доля у-го

компонента в составе ПНГ; пгет - количество молей компонента г, образуемого на моль компонента у, стехиометрически сжигаемого с воздухом; г = (С02; Н2О; Б02).

Объемный расход компонента г, образующегося при стехиометрическом сжигании ПНГ с воздухом,

— п —

а-ет=—^,

цгорРг

где —гор - массовый расход топливного газа; ц и —гор - молярная масса компонента г и топливного газа соответственно; рг - плотность компонента г.

Молярный расход кислорода 02 при стехиометрическом сжигании топливного газа с воздухом

-

^02ет =-^По2СТ ,

2 -гор 2

где п02ет - количество молей 02, необходимого для стехиометрического сжигания 1 моля топливного газа.

Массовый расход кислорода 02 при стехиометрическом сжигании топливного газа с воздухом

—02ет = Ы02ет—02 ,

где —02 - молярная масса кислорода 02.

Количество молей «свободного» кислорода 02, содержащегося в отработанном газе, в расчете на моль топливного газа

аЫ0 К0

т

П02ев ---------^,

где а - коэффициент избытка окислителя; Ы0 - молярное стехиометрическое соотношение; К0ок - количество атомов кислорода в условной молекулярной формуле воздуха.

0бъемная доля «свободного» кислорода 02 в составе отработанных газов

П02СВ

°¥02св _* 7Т~ .

2 1+аМ0

Массовый расход воздуха при коэффициенте избытка окислителя а

^ -аКтО^ор ,

где Кт0 - массовое стехиометрическое соотношение топливного газа и воздуха.

Объемный расход азота N2 в составе отработанного газа

1^ ^ „ + Ок „ 1

^гор ^ ^ок

/-> _Ч^гор ^ок У

Ущ _------------------------------------------------,

2 Рк2

где цок - молярная масса воздуха; р^ - плотность азота N2; <зг^гор , °г N20К - объемное содержание азота N2 в топливном газе и воздухе соответственно.

Объемный расход свободного кислорода О2 в составе отработанного газа

' а л

02окМ-02 а02ст р02

где ог 02ок - объемное содержание кислорода О2 в составе воздуха; р02 -

плотность кислорода О2.

Объемный расход «сухого» отработанного газа

бсух _ 6С02ст + 6$02ст + QN2 + 602 .

Объемный расход «влажного» отработанного газа

6вл _ бсух + 6Н20ст.

Процесс накопления оксидов углерода СО при сжигании топлива происходит на начальном участке факела. Оксид углерода окажется в продуктах сгорания лишь в том случае, если в КС не будут созданы условия для его окисления до двуокиси углерода СО2.

Концентрация СО в составе ПС определяется по эмпирическому соотношению [1]

СС0 _ ЧзЩнУ,

где ч3 - потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания, %;

Я - доля тепла с уходящими ПС, обусловленная наличием СО; 6нГ -

объемная низшая теплота сгорания, МДж/м3.

При сжигании всех видов топлив в условиях высоких температур образуются оксиды азота N0* в виде N20, N0, N02. Гемоксид азота N20 образуется в начальном участке факела, а затем окисляется до оксида азота N0, т.е. не выбрасывается в атмосферу с продуктами сгорания. В КС образуются преимущественно оксиды азота N0 в количестве 95-98 % от N0^ При движении по газовому тракту соотношение N0* не изменяется, но при выбросе в атмосферу около 80 % N0 превращается в более токсичный N02. Концентрация N0x в составе ПС определяется по эмпирическому соотношению [3]

109

сМ0Х _—аТораяг^0Х РкРД*

6сух

где бгор - объемный расход топливного газа, м3/с; 6нГ - объемная

^сух

низшая теплота сгорания, МДж/м3; 6сух - объемный расход «сухих» ПС, м3/с; Кк0х - коэффициент удельного выброса N0^ г/МДж. Коэффициенты РК, , Ра , Рр, Р5 учитывают особенности подачи топлив-

ного газа через форсунки, температуру воздуха на входе в КС, влияние избытка воздуха, рециркуляцию ПС в КС, ступенчатый подвод воздуха в КС соответственно и определены по рекомендациям [2].

При неполном сжигании топлив образуются несгоревшие углеводороды различных классов. Наибольшую экологическую опасность представляет бензапирен С20Н12. Концентрация бензапирена в составе ПС определяется по эмпирической зависимости [3]

Сп _ 0,001003еша04“^ КК Кт •

где Чу - теплонапряженность КС, МВт/м3; коэффициенты Кв , Кр , Кст

учитывают влияние нагрузки КС, рециркуляции ПС и ступенчатого сжигания соответственно и определены по эмпирическим данным [3].

Фактические выбросы СО, N0*, С20Н12 определены следующим образом:

При сжигании серосодержащих топлив соединения серы образуются в виде сернистого ангидрида БО2, серного ангидрида БО3 и паров серной кислоты Н2БОф Оксиды серы объединяются в группу БОХ. В КС образуется преимущественно БО2. Количество БО2 составляет 98-99 % от БОХ, а БО3 - всего 1-2 % от БОХ. Газообразный БО3 при движении по газовому тракту в присутствии водяных паров Н2О образует пары серной кислоты Н2БО4. Наиболее токсичным и коррозионноактивным из сернистых соединений является диоксид серы БО2, выбросы и концентрация которого в составе ПС определяются по соотношениям

где аУк - объемное содержание серы в составе топливного газа; ц302 -молярная масса диоксида серы БО2.

В качестве горючего рассматривается серосодержащий попутный нефтяной газ, который имеет различный компонентный состав в зависимости от месторождения. Более того, на одном и том же месторождении состав ПНГ является различным в разные периоды времени. Примерный компонентный состав ПНГ и свойства компонентов приведены в табл. 2.

Физические свойства окислителя и горючего

Таблица 2

Состав и свойства компонентов ПНГ

№ п/п Название компонента Химическая формула Ъу 1^ кг/кмоль P, кг/м3 н, кДж/моль

1 Азот N2 0,018 28,016 1,250 0 0,013

2 Двуокись углерода С О Ю 0,018 44,011 1,977 0 0,021

3 Метан СН4 0,42 16,043 0,718 802,82 0,174

4 Этан С2Н6 0,15 30,070 1,355 1429,12 0,117

5 Изопропан /С3Н8 0,05 44,097 2,011 2043,71 0,058

6 Пропан С3Н8 0,11 44,097 2,011 2043,71 0,128

7 Изобутан іС4Н10 0,03 58,124 2,697 2658,45 0,047

8 Бутан С4Н10 0,06 58,124 2,706 2658,45 0,094

9 Изопентан /С5Н12 0,03 72,151 3,426 3272,45 0,059

10 Пентан С5Н12 0,018 72,151 3,452 3272,45 0,036

11 Г ексаны и выше СбН14 0,06 86,177 4,290 3887,71 0,148

12 2-метилпен- тан С5Н10 (СН3 ^2 0,01 86,177 3,842 3880,09 0,022

13 3-метилпен- тан С5Н9 (СН3 ^3 0,01 86,177 3,842 3882,72 0,022

14 Сероводород /С5Н12 0,07 34,082 1,535 517,87 0,062

Примечание. ат - массовая доля компонента в составе ПНГ; Н - молярная низшая теплота сгорания компонента.

В процессе проведения термохимических расчетов определены физические свойства горючего: цгор = 37,575 кг/кмоль; ргор = 1,735 кг/м3;

£н.м = 1,622 МДж/моль; £нт = 43,2 МДж/кг; £нГ = 74,9 МДж/м3. Также получена условная химическая формулаС2307И65777800683К0035О0 035.

В качестве окислителя рассматривается воздух с влажностью 60 %, состав и свойства компонентов которого приведены в табл. 3.

Таблица 3

Состав и свойства компонентов воздуха

Название компонента Химическая формула ЪУ р, кг/м3 ц, кг/кмоль

Кислород 02 0,238 1,429 32,000

Азот N2 0,761 1,250 28,016

Водород Н2 0,001 2,016 2,000

В процессе проведения термохимических расчетов определены физические свойства окислителя: рок =1,735 кг/м3; цок = 37,575 кг/кмоль.

Также получена условная химическая формула 00431^ 572Н0028.

Кроме того, определены молярное и массовое стехиометрические соотношения ПНГ и воздуха: М0 =19,194 и Кт0 =14,779.

Анализ полученных результатов. Рекомендации по улучшению экологических показателей МГТЭА

На рис. 1 представлены результаты расчетов концентраций и выбросов СО, полученных при Я = 0,01.

Представленные на рис. 1 результаты позволяют сформулировать следующие выводы:

1) выбросы СО в МГТЭА 2-го поколения на 61 % меньше по сравнению с выбросами МГТЭА 1-го поколения из-за малых расходов топливного газа;

2) прогнозируемые величины концентрации и выбросов СО согласуются с нормативными данными (для новых газовых турбин Ссо = = 5...100 мг/м3) [4];

3) содержание СО у газопоршневых установок находится на уровне 600-630 мг/м3, что больше в 4-5 раз по сранению с МГТЭА 1-го и 2-го поколений;

4) концентрация СО в составе ПС зависит от неполноты сгорания топливного газа. При общем избытке О2 при некачественной подготовке топливовоздушной смеси могут создаваться микрозоны с дефицитом О2.

0,05

18 1 (л

1 О 1А

о 14 и S 1?

г, 1 ^ О Г 'l 1 П

1 и 3

О 8 < Рн Ю А

3 « л .

О Т

0 • 1

-ряд 1 -ряд 2

0,0625

0,075

«73,%

0,0875

0,1

Рис. 1. Концентрации и выбросы СО в МГТЭА 1-го и 2-го поколений: ряд 1 - МГТЭА 1-го поколения; ряд 2 - МГТЭА 2-го поколения; д3 — химическая неполнота сгорания

Неполнота сгорания топливного газа может быть уменьшена интенсификацией процесса смесеобразования путем турбулизации потока в зоне горения. Наиболее доступным методом турбулизации является внедрение струй топливного газа под углом к потоку воздуха.

Значения концентраций и выбросов N0.* получены при Кш * = 0,068 г/МДж; р к =1 (напорная форсунка); Ра = 1,225;

Р, = 1+0,002(/оквх -30); Рг = 0,16\/г ; Р5= 0,0228 . Результаты расчета

концентраций и выбросов N0* представлены на рис. 2.

Представленные на рис. 2 результаты позволяют сформулировать следующие выводы:

1) ступенчатый подвод воздуха в КС (20 % в первую зону) снижает концентрацию и выбросы N0* на 44 %;

2) рециркуляция ПС в КС (г = 20%) снижает концентрацию выбросов N0* на 72 %;

Рис. 2. Концентрации и выбросы N0* в МГТЭА 1-го и 2-го поколений: ряд 1 — МГТЭА 1-го поколения; ряд 2 — МГТЭА 2-го поколения; г — степень рециркуляции

3) концентрация NOx в МГТЭА 2-го поколения на 38 % больше по сравнению с МГТЭА 1-го поколения, однако выбросы NOx на 36 % меньше из-за малых расходов топливного газа;

4) прогнозируемые величины концентрации и выбросов NOx согласуются с нормативными данными (для новых газовых турбин CNO = 20...50 мг/м3);

5) содержание NOx у газопоршневых установок находится на уровне 250-500 мг/м3, что в 3-4 раза больше, чем в МГТЭА 1-го и 2-го поколений.

Результаты расчета концентраций и выбросов бензапирена С20Н12 при qV =15,3 МВт/м3 представлены на рис. 3.

Представленные на рис. 3 результаты позволяют сформулировать следующие выводы:

1) ступенчатый ввод воздуха в КС (20 % в первую зону) увеличивает концентрацию и выбросы бензапирена на 58 %;

2) рециркуляция ПС в КС ( r = 20% ) увеличивает концентрацию и выбросы на 45 %;

3) концентрации и выбросы бензапирена в МГТЭА 2-го поколения в миллион раз выше по сравнению с МГТЭА 1-го поколения, однако в 100 раз меньше среднесуточной ПДК;

4) расчеты выбросов бензапирена при различных условиях показывают, что в приземном слое воздуха содержание бензапирена не превышает 0,05 ПДКСС, поэтому выбросы бензапирена не подлежат учету и нормированию.

Концентрация и выбросы SOx получены при <jv = 0,046 . Расчеты показали, что для МГТЭА 1-го поколения CSOx = 1,429 г/м3; GSOx = 0,604 г/с, а для МГТЭА 2-го поколения CSOx = 2,068 г/м3; GSO x = 0,345 г/с.

Нормативные данные по концентрации и выбросам SOx в ГТУ отсутствуют. Известно, что для нового котельного оборудования в России допускается максимальная концентрация CSO = 700 мг/м3.

В Европейском Союзе приняты более жесткие нормы: CSO =

= 200...400 мг/м3 (Directive 2001/80/EC).

Я

о

И

ß

0

1 р ß К 5

к

w

Ё

о

о

Е

о

о

и

со

а

£

о

и

р

О

Выбросы бензапирена в МГТЭА 2-го поколения, мг/с

Концентрация бензапирена в МГТЭА 2-го поколения, мг/м

+ \

t I

90-300‘£

Доля воздуха, подаваемого в первую зону горения, %

Выбросы бензапирена в МГТЭА 1-го поколения, мг/с

Концентрация бензапирена в МГТЭА 1-го поколения, мг/м

и) 41 УІ -ч) ОО ^ У м м

о о 'о "о 'о О 'о о о І О

оооооо оо

МММИИММИММИ

О.А. Зуева, Р.В. Бульбович, Н.Ю. Бачева

Различные мероприятия по улучшению способов сжигания серосодержащего ПНГ при заданном а не будут влиять на концентрацию и выбросы SOx. Выбросы GSO зависят от расхода топливного газа

и количества H2S в его составе, а концентрация CSO - от выбросов

GSOx и объемного расхода ПС Qcyx .

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. При сжигании попутного нефтяного газа с содержанием сероводорода до 7 % меньшие выбросы загрязняющих веществ в атмосферу обеспечивают МГТЭА 2-го поколения. Все выбросы, за исключением оксидов серы SOx, согласуются с нормами, утвержденными в РФ.

2. По концентрации коррозионно-активных веществ SOx, от которых зависит ресурс работы МГТЭА, предпочтение имеют МГТЭА 1-го поколения.

3. Для уменьшения выбросов токсичных веществ в атмосферу (особенно SOx) целесообразно применение устройств очистки или каталитических нейтрализаторов в потоке выхлопных газов.

4. Для увеличения ресурса работы МГТЭА при сжигании серосодержащего ПНГ необходимо использование материалов 15Х25Т для ненагруженных деталей и Х36Н40 для нагруженных деталей [5]. Срок службы этих материалов составит примерно 2-3 года при толщинах конструктивных элементов 2-3 мм.

5. С целью максимального снижения воздействия агрессивных ПС на элементы конструкции рекомендуется уделить пристальное внимание схеме МГТЭА с внешним сгоранием.

Библиографический список

1. Иссерлин А.С. Основы сжигания газового топлива: справ. пособие. - Л.: Недра, 1987. - 336 с.

2. Ассад М. Продукты сжигания жидких и газообразных топлив: образование, расчет, эксперимент. - Минск: Изд-во Нац. акад. наук Беларуси, 2010. - 305 с.

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

4. ГОСТ 29328-92. Установки газотурбинные для привода турбогенераторов.

5. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. - М.: Химия, 1975. - 816 с.

References

1. Isserlin A.S. Osnovy szhiganiya gazovogo topliva: Spravochnoeposo-bie [Fundamentals of gas fuel burning: reference book]. Leningrad: Nedra, 1987. 336 p.

2. Assad M. Produkty szhiganiya zhidkikh i gazoobraznykh topliv: obrazovanie, raschet, eksperiment [Products of liquid and gaseous fuels burning: formation, calculation, experiment]. Minsk, Natsionalnaya akade-miya nauk Belorusi, 2010, 305 p.

3. Akhmedov R.B. Tekhnologiya szhiganiya goryuchikh gazov i zhidkikh topliv [The technology of combustion of combustible gases and liquid fuels]. Leningrad: Nedra, 1984, 283 p.

4. GOST 29328-92. Ustanovki gazoturbinnye dlya privoda turboge-neratorov. GOST 29328-92. Installation of gas turbine to drive turbine generators.

5. Vorobeva G.Ya. Korrozionnaya stoykost materialov v agressivnykh sredakh khimicheskikh proizvodstv [Corrosion stability of materials in hostile environment of chemical manufactures]. Moscow: Khimiya, 1975, 816 pp.

Об авторах

Зуева Оксана Андреевна (Пермь, Россия) - студентка кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические установки» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: oksa-nochka_zueva@mail .ru).

Бульбович Роман Васильевич (Пермь, Россия) - доктор технических наук, профессор кафедры «Ракетно-космическая техника и энергетические установки», декан аэрокосмического факультета, ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: dekan_akf@pstu.ru).

Бачева Надежда Юрьевна (Пермь, Россия) - старший преподаватель кафедры «Прикладная физика» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, e-mail: bnl54@yandex.ru).

About the authors

Zueva Oksana Andreevna (Perm, Russian Federation) - Student Department of Rocket and Space Technology, Generating Units, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: oksanochka_zueva@mail.ru).

Bulbovich Roman Vasilyevich (Perm, Russian Federation) - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Rocket and Space Technology, Generating Units, Dean of Aerospace Faculty, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: dekan_akf@pstu.ru).

Bacheva Nadezhda Yuryevna (Perm, Russian Federation) - Senior Lecturer, Department of Applied Physics, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990, Russian Federation, e-mail: bnl54@yandex.ru).

Получено 2.04.2012