RU2491435C1 - Method of decreasing harmful emissions from gas turbine with heat recovery - Google Patents
Method of decreasing harmful emissions from gas turbine with heat recovery Download PDFInfo
- Publication number
- RU2491435C1 RU2491435C1 RU2011153076/06A RU2011153076A RU2491435C1 RU 2491435 C1 RU2491435 C1 RU 2491435C1 RU 2011153076/06 A RU2011153076/06 A RU 2011153076/06A RU 2011153076 A RU2011153076 A RU 2011153076A RU 2491435 C1 RU2491435 C1 RU 2491435C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- combustion
- temperature
- water
- gas
- expansion
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к проблеме вредного воздействия выбросов из газотурбинных установок с регенерацией тепла на окружающую среду. Оно может быть использовано в газотурбинных установках, работающих на газообразном или жидком углеводородном топливе.The invention relates to the problem of the harmful effects of emissions from gas turbine units with heat recovery on the environment. It can be used in gas turbine plants operating on gaseous or liquid hydrocarbon fuel.
Известны способы уменьшения выбросов окислов азота с помощью добавок химических реагентов в выхлопные газы. Эти способы сложны и дороги, так как требуют сооружения крупногабаритных очистительных устройств и значительного расхода химикатов. Известно, что повышенная температура воздуха на входе в камеру сгорания (800-850 К) за счет регенерации тепла полностью исключает возможность использования традиционных диффузионных камер сгорания из-за чрезмерно высокой эмиссии окислов азота, а также и гомогенных камер сгорания из-за невозможности надежного исключения проскока пламени в зону подготовки топливно-воздушной смеси. Поэтому предлагается использовать в ГТУ принципиально новый процесс сжигания топлива - каталитический с регенерацией тепла выхлопных газов. Каталитическое сжигание углеводородного топлива позволяет радикально снизить выбросы продуктов неполного сгорания (СО, НС) и окислов азота. (Пармон В.Н., Исмагилов З.Р., Фаворский О.Н., Белоконь А.А., Захаров В.М. Вестник Российской академии наук. 2007, том 77, №9, с.820).Known methods for reducing emissions of nitrogen oxides using additives of chemical reagents in the exhaust gases. These methods are complex and expensive, as they require the construction of large-sized cleaning devices and a significant consumption of chemicals. It is known that an increased air temperature at the entrance to the combustion chamber (800-850 K) due to heat recovery completely eliminates the possibility of using traditional diffusion combustion chambers due to excessively high emission of nitrogen oxides, as well as homogeneous combustion chambers due to the impossibility of reliable exclusion flame penetration into the zone of preparation of the fuel-air mixture. Therefore, it is proposed to use in GTU a fundamentally new process of fuel combustion - a catalytic process with heat recovery of exhaust gases. Catalytic combustion of hydrocarbon fuels can drastically reduce emissions of products of incomplete combustion (CO, HC) and nitrogen oxides. (Parmon V.N., Ismagilov Z.R., Favorsky O.N., Belokon A.A., Zakharov V.M. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. 2007, Volume 77, No. 9, p. 820).
Однако максимальный термический и соответственно эффективный КПД предложенных ГТУ будет зависеть не от максимально допустимых температур продуктов сгорания, поступающих на вход газовых турбин, а от более низких допустимых температур, определяемых материалами составных каталитических элементов камеры сгорания, что является существенным препятствием для повышения КПД ГТУ.However, the maximum thermal and accordingly effective efficiency of the proposed gas turbines will depend not on the maximum allowable temperatures of the combustion products entering the gas turbine inlet, but on lower allowable temperatures determined by the materials of the composite catalytic elements of the combustion chamber, which is a significant obstacle to increasing the gas turbine's efficiency.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ преобразования тепловой энергии в работу, заключающийся в ступенчатом сжатии окислителя с впрыском воды в дополнительный компрессор, ступенчатом расширении рабочего тела и сжигании органического топлива в камерах сгорания перед промежуточными ступенями расширения с коэффициентом избытка окислителя меньше 1, а перед последней - с коэффициентом избытка окислителя больше 1. (см. а.с. СССР SU 1560749 A1, 02C 3/00 от 30.04.90. Бюл. №16 - прототип)The closest technical solution to the proposed one is a method of converting thermal energy into work, which consists in stepwise compression of the oxidizing agent with water injection into an additional compressor, stepwise expansion of the working fluid and burning of organic fuel in the combustion chambers before the intermediate expansion stages with an oxidizer excess coefficient of less than 1, and before the latter - with an excess coefficient of oxidizing agent greater than 1. (see AS USSR SU 1560749 A1, 02C 3/00 dated 04/30/90. Bull. No. 16 - prototype)
Основной недостаток известного способа состоит в том, что в последней к выхлопу камере сгорания с обычным не каталитическим горением не поддерживается более сниженная температура горения по отношению к предшествующим камерам сгорания, что в сочетаний с неограниченным значением коэффициента избытка окислителя (>1), особенно для регенеративных газотурбинных установок, не позволит получить требуемого в настоящее время допустимого уровня выброса окислов азота, оксида углерода (СО) и несгоревших углеводородов (СН). Кроме того, любое значение коэффициента избытка окислителя меньшее единицы в предшествующих камерах сгорания и их газодинамических трактов, также недопустимо без поддержания необходимых величин температуры стенок, содержания воды в продуктах сгорания и коэффициента избытка окислителя. Иначе будет происходить сажеобразование, что затруднит применение этого способа.The main disadvantage of this method is that in the latter, to the exhaust of the combustion chamber with conventional non-catalytic combustion, a more reduced combustion temperature is not supported in relation to the previous combustion chambers, which in combination with an unlimited value of the coefficient of excess oxidizer (> 1), especially for regenerative gas turbine plants, will not allow to obtain the currently required acceptable level of emissions of nitrogen oxides, carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbons (CH). In addition, any value of the coefficient of excess of the oxidizing agent less than unity in the previous combustion chambers and their gas-dynamic paths is also unacceptable without maintaining the necessary values of the temperature of the walls, the water content in the combustion products and the coefficient of excess of the oxidizing agent. Otherwise, soot formation will occur, which will complicate the application of this method.
Решаемой задачей является существенное снижение выбросов окислов азота, оксида углерода и несгоревших углеводородов в ГТУ с регенеративным подогревом сжатой смеси воздуха с водой при обеспечении высокого КПД.The problem to be solved is a significant reduction in emissions of nitrogen oxides, carbon monoxide and unburned hydrocarbons in gas turbines with regenerative heating of a compressed mixture of air and water while ensuring high efficiency.
Высокий термический КПД достигается за счет регенерации тепла, а также путем повышения среднетермодинамической температуры подвода тепла и снижения среднетермодинамической температуры отвода тепла, соответственно за счет ступенчатого подвода и отвода тепла.High thermal efficiency is achieved due to heat recovery, as well as by increasing the average thermodynamic temperature of heat supply and lowering the average thermodynamic temperature of heat removal, respectively, due to stepwise supply and removal of heat.
Решение указанной задачи достигается тем, что в способе уменьшения вредных выбросов из газотурбинной установки с регенерацией тепла, заключающемся в ступенчатом сжатии окислителя с впрыском воды, подогревом сжатой смеси окислителя с водой, ступенчатом расширении рабочего тела и сжигании органического топлива в камерах сгорания перед промежуточными ступенями расширения с коэффициентом избытка окислителя меньше 1, а в последней - больше 1. Новым здесь является то, что путем регулировки расходов окислителя, воды и топлива и поддержанием допустимых значений температуры стенок на вход и на выход компрессора и между его ступенями осуществляют впрыск воды с суммарным расходом 20-40% от общего расхода рабочего тела на выхлопе, при этом в камерах сгорания перед промежуточными ступенями расширения и в газодинамическом тракте поддерживают коэффициент избытка окислителя не ниже 0,5 и температуру стенок промежуточных ступеней расширения и газодинамического тракта не ниже 730 К, а в выходной камере осуществляют процесс каталитического горения, обеспечивающей температуру 1500-1100 К, ниже температуры в предшествующих камерах сгорания, и коэффициент избытка окислителя как равный стехиометрическому, так и больше стехиометрического.The solution to this problem is achieved by the fact that in the method of reducing harmful emissions from a gas turbine plant with heat recovery, which consists in stepwise compression of the oxidizer with water injection, heating the compressed mixture of the oxidizer with water, stepwise expansion of the working fluid and burning of organic fuel in the combustion chambers before the intermediate expansion stages with an excess coefficient of oxidizing agent less than 1, and in the latter - more than 1. What is new here is that by adjusting the flow rates of the oxidizing agent, water and fuel and maintaining allowable temperature values of the walls at the inlet and outlet of the compressor and between its stages, water is injected with a total flow rate of 20-40% of the total flow rate of the working fluid at the exhaust, while the oxidizer excess coefficient is not maintained in the combustion chambers in front of the intermediate expansion steps and in the gasdynamic path below 0.5 and the temperature of the walls of the intermediate stages of expansion and the gas-dynamic path not lower than 730 K, and in the outlet chamber a catalytic combustion process is carried out, providing a temperature of 1500-1100 K, lower temperature in the previous combustion chambers, and the coefficient of excess oxidizer as equal to stoichiometric or greater than stoichiometric.
Предлагаемый способ предотвращает образование окислов азота, оксида углерода и несгоревших углеводородов, сверх допустимых норм их выброса, несмотря на наличие регенерации тепла, благодаря возможности поддерживать практически любой пониженный уровень температур в последней (выхлопной) камере сгорания, приемлемый для каталитического горения.The proposed method prevents the formation of nitrogen oxides, carbon monoxide and unburned hydrocarbons, in excess of the permissible emission standards, despite the presence of heat recovery, due to the ability to maintain almost any low temperature level in the last (exhaust) combustion chamber, acceptable for catalytic combustion.
Известно, что как повышенная температура, так и избыток кислорода, для обычного не каталитического горения, существенно увеличивают уровень образования окислов азота. Если для снижения уровня образования окислов азота целесообразно максимально возможное уменьшение коэффициента избытка окислителя, то с точки зрения сажеобразования это уменьшение необходимо ограничивать. Предлагаемый способ позволяет устранить сажеобразование, поддерживая допустимые значения коэффициента избытка окислителя и температуры стенок газодинамического тракта соответственно содержанию паров воды в продуктах сгорания.It is known that both elevated temperature and excess oxygen, for ordinary non-catalytic combustion, significantly increase the level of formation of nitrogen oxides. If, to reduce the level of formation of nitrogen oxides, it is advisable to reduce the coefficient of excess of the oxidizing agent as much as possible, then from the point of view of soot formation, this decrease must be limited. The proposed method allows to eliminate soot formation, maintaining acceptable values of the coefficient of excess oxidizing agent and the temperature of the walls of the gas-dynamic tract according to the content of water vapor in the combustion products.
На фиг.1 приведена схема газотурбинной установки, реализующая способ уменьшения вредных выбросов из газотурбинной установки с регенерацией тепла,Figure 1 shows a diagram of a gas turbine installation that implements a method of reducing harmful emissions from a gas turbine installation with heat recovery,
Схема содержит компрессор 12, состоящий из ступеней сжатия 1 и смесительных камер 2, в которых происходит изобарное охлаждение воздуха за счет испарения распыленной воды, ступени расширения газовых турбин 3, 5, 7, рекуперативный регенератор тепла 9, регулирующие расход задвижки 11 и электрогенератор 10, кинематически связанный со ступенями газовых турбин и компрессора.The circuit includes a compressor 12, consisting of compression stages 1 and mixing chambers 2, in which isobaric cooling of air occurs due to evaporation of atomized water, expansion stages of gas turbines 3, 5, 7, a regenerative heat regenerator 9, regulating the flow rate of the valve 11 and an electric generator 10, kinematically connected with the steps of gas turbines and a compressor.
Способ осуществляют следующим образом. С помощью компрессора 12 сжимают смесь воды с воздухом. Распыленную с помощью форсунок воду подают в смесительные камеры 2, далее сжатую смесь подают в регенератор 9, после регенератора - в камеры сгорания 3, 5, 7. В камеры сгорания 3 и 5, кроме смеси воды с воздухом подают топливо. С помощью регулирующей аппаратуры 11 в камерах сгорания 3 и 5, в соответствии с содержанием паров воды и температурой стенок газодинамического тракта, поддерживают допустимый коэффициент избытка окислителя меньше 1, исключая сажеобразование. В камерах сгорания 3 и 5, поддерживается максимально допустимая температура. После расширения в ступенях газовых турбин 4 и 6, продукты неполного сгорания поступают в камеру сгорания 7, где также с помощью регулирующей аппаратуры 11 поддерживают температуру горения в пределах 1500-1100 К, ниже чем в камерах сгорания 3 и 5, и коэффициент избытка окислителя равный стехиометрическому или больше стехиометрического, осуществляя каталитическое дожигание топлива. Из ступени газовой турбины 8 продукты сгорания поступают в регенератор, где нагревают сжатую смесь воды и воздуха, и затем охлажденные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Вся полученная работа расширения преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератора 10. Для иллюстрации применимости предлагаемого способа было проведено численное моделирование процесса для приведенной схемы.The method is as follows. Using a compressor 12 compresses the mixture of water with air. The water sprayed with the nozzles is fed into the mixing chambers 2, then the compressed mixture is supplied to the regenerator 9, after the regenerator - to the combustion chambers 3, 5, 7. Fuel is supplied to the combustion chambers 3 and 5, in addition to the mixture of water and air. Using control equipment 11 in the combustion chambers 3 and 5, in accordance with the content of water vapor and the temperature of the walls of the gas-dynamic path, the allowable coefficient of excess oxidizer is less than 1, excluding soot formation. In combustion chambers 3 and 5, the maximum permissible temperature is maintained. After expansion in the stages of gas turbines 4 and 6, the products of incomplete combustion enter the combustion chamber 7, where also with the help of control equipment 11 the combustion temperature is maintained in the range of 1500-1100 K, lower than in the combustion chambers 3 and 5, and the oxidizer excess coefficient is equal to stoichiometric or more stoichiometric, carrying out catalytic afterburning of fuel. From the stage of the gas turbine 8, the combustion products enter the regenerator, where a compressed mixture of water and air is heated, and then the cooled combustion products are released into the atmosphere. All the obtained expansion work is converted into electrical energy using an electric generator 10. To illustrate the applicability of the proposed method, a numerical simulation of the process for the above scheme was carried out.
Топливом является синтезгаз, полученный из Березовского угля с помощью его воздушной газификации с Н2О. Синтезгаз после «горячей» очистки в циклоне и в «горячем» фильтре имеет температуру 870 К. Коэффициент избытка окислителя и соответственно температура в 3 камере сгорания 0,61 и 1600 К, в 5 камере сгорания - 0,59 и 1600 К, в 7 камере сгорания - 1,1 и 1489 К. Относительный расход воды - 20,4%. Давление соответственно в 3, 5. 7 камерах сгорания - 7,0 МПа, 2,433 МПа, 0,846 МПа. Внутренний КПД турбин и компрессоров принимается равным 0,85. Теплотворная способность угля - 26127 КДж/кг. Для указанных параметров расчетная величина КПД установки составила 0,536 при температуре выхлопа 443,4 К. Каталитическая камера сгорания 7 может быть снабжена, например, высокотемпературным катализатором предложенным авторами Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН см. Патент №2185238 от 20.07.2002. В зависимости от калорийности топлива и допустимой температуры лопаток турбины, количество камер сгорания и, соответственно, ступеней расширения, для предложенного способа, может быть произвольным, но не менее двух.The fuel is synthesis gas obtained from Berezovsky coal by means of its air gasification with H 2 O. Synthesis gas, after “hot” cleaning in a cyclone and in a “hot” filter, has a temperature of 870 K. The oxidizer excess coefficient and, accordingly, the temperature in the 3 combustion chamber is 0.61 and 1600 K, in the 5th combustion chamber - 0.59 and 1600 K, in the 7th combustion chamber - 1.1 and 1489 K. The relative water consumption is 20.4%. Pressure, respectively, in 3, 5. 7 combustion chambers - 7.0 MPa, 2.433 MPa, 0.846 MPa. The internal efficiency of turbines and compressors is taken equal to 0.85. The calorific value of coal is 26127 KJ / kg. For these parameters, the calculated value of the plant efficiency was 0.536 at an exhaust temperature of 443.4 K. The catalytic combustion chamber 7 can be equipped, for example, with a high-temperature catalyst proposed by the authors of the Institute of Catalysis named after G.K. Boreskov SB RAS see Patent No. 2185238 of 07.20.2002. Depending on the calorific value of the fuel and the permissible temperature of the turbine blades, the number of combustion chambers and, accordingly, expansion steps, for the proposed method, can be arbitrary, but not less than two.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011153076/06A RU2491435C1 (en) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | Method of decreasing harmful emissions from gas turbine with heat recovery |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011153076/06A RU2491435C1 (en) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | Method of decreasing harmful emissions from gas turbine with heat recovery |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011153076A RU2011153076A (en) | 2013-07-10 |
RU2491435C1 true RU2491435C1 (en) | 2013-08-27 |
Family
ID=48787196
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011153076/06A RU2491435C1 (en) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | Method of decreasing harmful emissions from gas turbine with heat recovery |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2491435C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2666271C1 (en) * | 2017-09-11 | 2018-09-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Gas turbine co-generation plant |
RU2813715C1 (en) * | 2023-06-06 | 2024-02-15 | Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Method for regulating fuel supply to combustion chamber of gas turbine unit |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3514718A1 (en) * | 1984-04-27 | 1985-10-31 | General Electric Co., Schenectady, N.Y. | GAS TURBINE ENGINE AND OPERATING METHOD |
US4751814A (en) * | 1985-06-21 | 1988-06-21 | General Electric Company | Air cycle thermodynamic conversion system |
EP0318706A1 (en) * | 1987-11-30 | 1989-06-07 | General Electric Company | Water spray ejector system for steam injected engine |
RU2094636C1 (en) * | 1993-02-24 | 1997-10-27 | Виктор Исаакович Особов | Gas-turbine plant and its operating process (options) |
RU2097590C1 (en) * | 1994-09-15 | 1997-11-27 | Научно-технологический центр энергосберегающих процессов и установок РАН | Gas-turbine engine operation process |
-
2011
- 2011-12-27 RU RU2011153076/06A patent/RU2491435C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3514718A1 (en) * | 1984-04-27 | 1985-10-31 | General Electric Co., Schenectady, N.Y. | GAS TURBINE ENGINE AND OPERATING METHOD |
US4751814A (en) * | 1985-06-21 | 1988-06-21 | General Electric Company | Air cycle thermodynamic conversion system |
EP0318706A1 (en) * | 1987-11-30 | 1989-06-07 | General Electric Company | Water spray ejector system for steam injected engine |
RU2094636C1 (en) * | 1993-02-24 | 1997-10-27 | Виктор Исаакович Особов | Gas-turbine plant and its operating process (options) |
RU2097590C1 (en) * | 1994-09-15 | 1997-11-27 | Научно-технологический центр энергосберегающих процессов и установок РАН | Gas-turbine engine operation process |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2666271C1 (en) * | 2017-09-11 | 2018-09-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Gas turbine co-generation plant |
RU2813715C1 (en) * | 2023-06-06 | 2024-02-15 | Публичное акционерное общество "ОДК - Уфимское моторостроительное производственное объединение" (ПАО "ОДК-УМПО") | Method for regulating fuel supply to combustion chamber of gas turbine unit |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011153076A (en) | 2013-07-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN105745419B (en) | The system and method that the burning and discharge in gas-turbine unit are controlled using exhaust gas recirculatioon | |
US7765810B2 (en) | Method for obtaining ultra-low NOx emissions from gas turbines operating at high turbine inlet temperatures | |
CN106414952B (en) | System and method for controlling the combustion process for utilizing exhaust gas recirculatioon to operate combustion gas turbine | |
US9869279B2 (en) | System and method for a multi-wall turbine combustor | |
CN106062340B (en) | System and method for gas-turbine unit | |
US9512759B2 (en) | System and method for catalyst heat utilization for gas turbine with exhaust gas recirculation | |
CA2832493C (en) | Gas turbine assembly and corresponding operating method | |
CA2881606C (en) | System and method for a stoichiometric exhaust gas recirculation gas turbine system | |
CN102588113B (en) | The method of the component of the exhaust of gas turbine engine and Fuel Control System thereof and analysis and control gas turbine engine | |
US8381525B2 (en) | System and method using low emissions gas turbine cycle with partial air separation | |
JP6169840B2 (en) | Method for separating CO2 from N2 and O2 in a turbine engine system | |
CN103821637B (en) | Internal combustion engine and the method for running internal combustion engine | |
AU2016284752B2 (en) | Method and equipment for combustion of ammonia | |
RU2011100841A (en) | LOW-FUEL GAS-TURBINE SYSTEM | |
EP2888531A2 (en) | Sequential combustion with dilution gas mixer | |
JP7109158B2 (en) | Thermal power plant, boiler and boiler modification method | |
JP6653862B2 (en) | Method and ignition device for combustion management in an ignition device | |
CA2046083C (en) | Apparatus and method for reducing nitrogen oxide emissions from gas turbines | |
CA3012085C (en) | Method and equipment for combustion of ammonia | |
RU2491435C1 (en) | Method of decreasing harmful emissions from gas turbine with heat recovery | |
JP2008240731A (en) | Operating method for turbogroup | |
RU2490489C2 (en) | Method for reducing emissions of nitrogen oxides from gas-turbine plant with heat recovery | |
Levy et al. | Preliminary analysis of a new methodology for flameless combustion in gas turbine combustors | |
CN103398397A (en) | Combustion system of boiler and combustion method implemented by aid of system | |
CN220852134U (en) | Low-nitrogen gas boiler using ammonia gas as co-combustion fuel |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191228 |