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

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

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 Б П 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,
(1)
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 / /, (2)
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 (-1,5а), (3)
где а- коэффициент избытка воздуха.
Коэффициент, учитывающий влияние степени загрузки газовой турбины-
К = (МКном)-1,17, (4)
здесь МЫном — отношение фактической мощности к номинальной.
Коэффициент, учитывающий ввод влаги (воды или пара) в камеру сгорания-
квл = ехР (^, (5)
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, (6)
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
/
, (7)
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_ш1_
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

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой