Исследование выбросов токсичных веществ в камерах сгорания

УДК 621.452.322
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫБРОСОВ ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ
В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ГТД
Б.Г. Мингазов, д-р техн. наук,
Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева «КАИ», г. Казань, Россия
В настоящее время в исследованиях рабочего про-
зоне горения. Согласно механизму Зельдовича форми-
цесса камер сгорании наиболее актуальным является
рования термических NOх экспоненциально зависят от
снижение выбросов токсичных веществ, таких как NOx
температуры и линейно от времени пребывания в зоне
и СО. Это прежде всего связано с продолжающимся
горения.
ужесточением норм выбросов тепловых двигателях. В
−86000 
−43000

64 RTг
dNO 5 ⋅ 1011 RTг 
2
=
− (NO ) ,
e
e
О 2 N 2
3
dτ
O2




где τ - время, С;
то же время такие тенденции в современном двигателестроении, как повышение П кх и T2* , снижение α к
способствуют увеличению выбросов NOх.
Tг* – температура в реакционном объеме,
Существуют общеизвестные методы снижения выбросов. К ним можно отнести:
1.
К; NO, N2, O2 – концентрация компонентов конеч-
Снижение уровня температур в зоне горения и
ной газовой смеси, моль/л.
уменьшения времени пребывания в ней.
Данное уравнение позволяет рассчитывать так на-
2.
Интенсификация смешения топлива и воздуха.
зываемые “воздушные” NOx, выброс которых для
3.
Использование каталитического эффекта.
применяемых в ГТД топлив является основным, по-
4.
Организация двухстадийного процесса горе-
этому при оценке уровня выбросов можно опираться
ния.
на данную зависимость.
Однако внедрение указанных методов в реальных
С другой стороны, при использовании данного
камерах сгорания не всегда дает положительный эф-
уравнения при расчетах выбросов в реальных камерах
фект.
сгорания возникают трудности, связанные с необхо-
Необходимость снижения NОх и СО требует проти-
димостью определения местных концентраций компо-
воположных действий, связанных с тем, что выделение
нентов газовой смеси и температур в зоне горения.
NOх резко возрастает при увеличении температуры
Моделирование внутрикамерных процессов на основе
горения смеси Tг* , а выделение СО, наоборот, увели-
теории турбулентного горения с учетом процессов
смешения позволяет определить распределения соста-
чивается с падением Tг* ввиду уменьшения скорости
вов смеси, температуры и полноты сгорания по длине
химического реагирования.
жаровой трубы [1].
Вследствие вышесказанного при доводке КС по
Значения указанных закономерностей дают воз-
снижению выбросов весьма важным является выявле-
можность оценить уровень выбросов NOx, CO, а также
ние компромиссных решений.
определить закономерности их выделения по длине
Проведенные расчетно-экспериментальные иссле-
жаровой трубы.
дования в этом направлении позволяют наметить пути
Расчеты проводились по следующей схеме:
доводочных работ по снижению NOх и СО.
1.
Весь объем жаровой трубы состоит из N зон.
2.
В каждой зоне формируется состав не прореа-
Известно, что термические NOх формируются в результате химического реагирования кислорода и азота
гировавшей смеси топлива, воздуха и продуктов сго-
воздуха при пребывании газа в высокотемпературной
рания, поступивших из предыдущей зоны.
5
3.
Концентрация NOx и CO в каждой зоне опре-
нах, где температура Tг* имеет максимальное значе-
деляется выделившимися в ней веществами и посту-
ние. По мере движения смеси по длине жаровой трубы
пившими из предыдущей зоны.
происходит разбавление продуктов сгорания вторич-
В качестве примера на рис. 1 приведены расчетные
ным воздухом и температура газа падает и дополни-
данные по распределению средних значений темпера-
тельное выделение NOx прекращается, при этом пол-
туры газа Tг* , полноты сгорания и эмиссии NOx по
нота сгорания сохраняет постоянное значение. Ввиду
длине жаровой трубы при различных α.
отсутствия реагирования параметров обогащение смеси в камере приводит к смещению максимальных значений к выходу жаровой трубы, а уровень выделения
NOx возрастает. Таким образом, совместное решение
уравнений, описывающих процессы смешения и сгорания смеси с кинетическим уравнением выделения
оксидов азота, позволяет выявить закономерности
внутрикамерных процессов и наметить пути по их оптимизации за счет распределения воздуха по длине
жаровой трубы.
а
Обобщение экспериментальных данных по исследованию эмиссии NOx в различных камерах сгорания
показывает общую закономерность, связанную с тем,
что существует некоторое значение коэффициента избытка воздуха в камере αк, при котором наблюдается
наибольшее выделение NOx (рис. 2).
б
Рис. 2. Зависимость концентрации NOx от коэффициента избытка воздуха в КС:
Рк*=0,1 МПа, Tг* =600 К, топливо – природный газ,
–––– – расчет; ○ – эксперимент (стендовые испытания
КС НК-18СТ); ∆ – стендовые испытания КС НК-8,
топливо – испаренный керосин (данные В.А. Щукина);
× – результаты испытаний КС двигателя CF6-50, топливо – керосин
в
Рис. 1. Расчетное распределение температуры (а), полноты сгорания (б) и эмиссии NOx (в) по длине жаровой
трубы при различных α, Tг* =600 К, Рк*=0,1 МПа,
топливо – природный газ, ∆ – эксперимент;
–––– – расчет
Здесь же приведены данные расчетов NOx по вы-
Как видно из графиков, наибольшее выделение те-
шесказанной методике. Видно, что теория достаточно
пла происходит в первичной зоне, где достигаются
адекватно отражает экспериментальные данные, что
максимальные значения температур газа и полнот сго-
также подтверждает возможность применения рас-
рания. Наибольшее выделение NOx происходит в зо-
смотренных подходов при анализе работы КС.
6
Расчеты, приведенные на основе рассмотренных
α з.г в зависимости от распределения воздуха по дли-
моделей внутрикамерных процессов, позволили полу-
не жаровой трубы, которое, в свою очередь, зависит от
чить графики изменения полноты сгорания, выделения
ее назначения.
NOx, CO и UHC от коэффициента избытка воздуха в
Высокофорсированные КС, предназначенные для
зоне горения αзг (рис. 3).
установки на высокотемпературные двигатели, имеют
более раскрытую головную часть и большие расходы
воздуха направляются на охлаждение стенок. Поэтому
в таких КС для минимизации выбросов токсичных
веществ следует обеспечить богатую первичную зону
наряду с улучшением подготовки смеси перераспределением воздуха между фронтовым устройством и первым рядом отверстий.
В менее форсированных КС, предназначенных для
наземных энергетических установок, распределение
воздуха в жаровой трубе производится таким образом,
что основной воздух подается в зоны догорания и
Рис. 3. Изменение параметров газа на выходе из КС
по коэффициенту избытка воздуха в зоне горения
смешения. Поэтому здесь наиболее оптимальным с
При рассмотрении приведенных графиков можно
точки зрения уменьшения выбросов является обеспечение "бедной" зоны горения.
выделить три характерные области: А, В и C. Первая
область A характерна тем, что полнота сгорания имеет
Таким образом, для обеспечения приемлемых ха-
низкий уровень и соответственно высокие значения
рактеристик КС необходимо поддерживать температу-
выделения окиси углерода и углеводородов, в то же
ру в зоне горения в узком интервале на всех эксплуа-
время выделение окислов азота незначительно. В об-
тационных режимах двигателя, что является трудной
ласти В достигаются максимальные значения полноты
задачей.
сгорания и соответственно максимальное выделение
В связи с этим в настоящее время широко внедря-
NOx, в то же время выход CO и UHC имеет низкий
ется схема двухстадийного сжигания топлива путем
уровень. В области C происходит уменьшение выброса
применения «богатой» или же «бедной» зон горения в
NOx при относительно низких значениях уровня выде-
первичной зоне камеры сгорания.
ления CO и UHC и высокой полноте сгорания топлива.
Литература
Как следует из графиков, с точки зрения обеспече1.
ния минимальных выбросов предпочтительнее работа
Мингазов Б.Г. Внутрикамерные процессы и
камеры в областях A и C, соответствующих "богатой"
автоматизированная доводка камер сгорания ГТД.-
или "бедной" зонам горения.
Казань: Изд-во КГТУ им.А.Н.Туполева, 2000.- 167 с.
Наилучшие характеристики камеры обеспечиваются при работе камеры с обедненной первичной зоной
(область C), так как в этом случае имеет место низкий
Поступила в редакцию 06.05.03
уровень выбросов токсичных веществ при достаточно
высокой полноте сгорания.
Рецензенты: д-р техн. наук, профессор П.М. Канило,
ИПМаш НАНУ, г. Харьков; канд. техн. наук, доцент
В.Е. Костюк, Государственная академия городского
хозяйства, г. Харьков.
Очевидно, рассмотренные области А, В и C для КС
различного назначения могут иметь различные диапазоны и смещаться в ту или иную сторону по составу
7