СПОСОБ СЖИГАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА В ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕ ИЛИ УСТАНОВКЕ

Изобретение относится к области двигателестроения, а более точно относится к способу сжигания углеводородного топлива в газотурбинном двигателе (ГТД) или газотурбинной установке (ГТУ).

Известен способ сжигания углеводородного топлива в газотурбинном двигателе или установке, при котором углеводородное топливо и воздух, сжатый до высокого давления в компрессоре, поступают в камеру сгорания, где топливовоздушную смесь воспламеняют, а образующиеся при горении газы направляют в турбину и далее в атмосферу через сопло. С целью снижения эмиссии экологически опасных компонентов (оксидов азота, сажи и несгоревших углеводородов) выбираются режимы работы ГТУ на бедном пределе устойчивости горения, который достигается, например, в смеси метан-воздух при стехиометрическом соотношении топливо/окислитель ϕ, приблизительно равном 0.6. (Статья в журнале: Ren J.-Y., Egolfopoulos F.N., Tsotsis Т.Т. NO_x emission control of lean methane-air combustion with addition of methane reforming products // Combust. Sci. Technol. - 2002. - V.174, N. 4. - P.181-205. Статья в журнале: Aida N., Nishijima Т., Hayashi S., Yamada H., Kcrwakami Т. Combustion of lean prevaporized fuel-air mixtures mixed with hot burned gas for low-NO_x emissions over an extended range of fuel-air ratios // Proc. Combust. Inst. - 2005. - V.30. - P.2885-2892. Статья в книге: Е.Д.Свердлов. Разработка концепции рабочего процесса в низкоэмиссионной камере сгорания газотурбинной установки на природном газе // Экологические проблемы авиации / Под ред. Ю.Д.Халецкого. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2010. - 504 с. С.451-451).

Известны способы активации процессов горения в двигателях внутреннего сгорания обработкой воздуха, поступающего в двигатель электрическим разрядом (RU №2156878, RU №2176122).

Известен способ инициирования воспламенения и интенсификации горения или риформинга топливовоздушных и топливокислородных смесей (патент РФ №2333381, опубл. 2008 г.), в том числе в газотурбинных двигателях, который заключается в том, что рабочую смесь в камере сгорания возбуждают посредством импульсно-периодического наносекундного высоковольтного разряда с ограниченной амплитудой и длительностью импульса высокого напряжения. Способ позволяет понизить температуру воспламенения рабочей смеси, повысить интенсивность химических реакций в процессах горения и риформинга и, как следствие, увеличить эффективность работы камеры сгорания газотурбинного двигателя. Однако он обладает следующим основным недостатком - высоким потреблением энергии из-за применяемой специальной организации разряда для возбуждения во всем объеме камеры сгорания рабочей смеси. Кроме того, высокое потребление энергии вызвано тем, что в данном способе используется разряд с достаточно большой приведенной напряженностью электрического поля E/N>5·10^-15 В·см², при которой в разряде происходит преимущественно диссоциация молекул кислорода О₂ и других компонентов, например СН₄, электронным ударом с затратами энергии 5.1 эв/молекулу О₂, (а не его возбуждение, как в предлагаемом изобретении).

Указанный способ рассмотрен как прототип.

В основу изобретения положена задача повышения эффективности работы камеры сгорания газотурбинного двигателя при одновременном снижении выброса вредных веществ в атмосферу, а именно снижении эмиссии оксидов азота NO_x, моноксида углерода СО, несгоревших углеводородов C_nH_m и сажевых частиц.

Техническим результатом является уменьшение потребления энергии электрическим разрядом и дополнительная интенсификация горения.

Другим техническим результатом является обеспечение устойчивости горения в обедненных топливом топливовоздушных смесях.

Поставленная задача решается тем, что при сжигания углеводородного топлива в газотурбинных двигателях или установках, содержащих камеру сгорания, на вход которой поступают поток углеводородного топлива и поток воздуха, сжатого в компрессоре до высокого давления, топливовоздушную смесь воспламеняют, а полученные при горении смеси газы направляют через турбину и сопло в атмосферу, при этом воздействуют, по меньшей мере, на часть потока сжатого воздуха за компрессором электрическим разрядом, организованным таким образом, чтобы получать заданные значения объемной плотности энергии и приведенной напряженности электрического поля, так что под его воздействием воздух образует низкотемпературную неравновесную плазму, содержащую преимущественно молекулы кислорода в основном и в синглетном состоянии O₂(a¹Δ_g), часть потока углеводородного топлива смешивают с полученной воздушной плазмой и подвергают риформингу интенсифицируемому молекулами возбужденного синглетного кислорода, и образующийся при риформинге синтез-газ направляют в камеру сгорания для дополнительной интенсификации горения.

Целесообразно воздействовать на воздух электрическим разрядом, объемная плотность энергии Es которого составляет не менее 0.2 Дж/см³, а величина приведенной напряженности электрического поля E/N лежит в пределах ~1-5·10^-16 В·см².

Кроме того, целесообразно, чтобы воздушную плазму смешивали с частью потока углеводородного топлива в предварительно заданной пропорции, обеспечивающей образование богатой топливовоздушной смеси.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и рисунком где представлена принципиальная схема воздушных и топливных потоков газотурбинного двигателя (ГТД) или газотурбинной установки (ГТУ).

Способ сжигания углеводородного топлива в газотурбинном двигателе или установке осуществляют следующим образом.

Поток углеводородного топлива и поток воздуха, сжатого до высокого давления в компрессоре 1, поступает в камеру сгорания 2, где воспламененная топливовоздушная смесь горит, а образующиеся при горении газы проходят через турбину 3, отдавая энергию, а затем через сопло 4 в атмосферу.

Согласно изобретению часть воздуха, сжатого в компрессоре 1 и нагретого при сжатии в компрессоре до температуры, например, 850-950К, отводят за компрессором 1 от основного воздушного потока и подвергают воздействию электрическим разрядом с величинами объемной плотности энергии Es и напряженности электрического поля E/N, рассчитанными и заданными таким образом, что в разряде происходит преимущественно образование колебательно-возбужденных молекул кислорода в основном электронном состоянии (ν=1) и электронно-возбужденных молекул O₂(a¹Δ_g).

В изобретении предлагается использовать разряд, устойчиво работающий при Е/N~1·5·10^-16 В·см². В этом случае в разряде происходит преимущественно не диссоциация молекул O₂ электронным ударом, а его возбуждение из основного в синглетное состояние O₂(a¹Δ_g) с затратами энергии 0.98 эв/молекулу O₂ или в первое колебательное состояние (ν=1) с затратами энергии 0.19 эв/молекулу O₂. Для образования воздушной плазмы с электронно- и колебательно-возбужденными молекулами кислорода объемная плотность энергии Es составляет не менее 0.2 Дж/см³, а величина приведенной напряженности электрического поля 1-5·10^-16 В·см².

При таком воздействии электрического разряда на воздух, отобранный от основного потока за компрессором 1, в газоразрядной ячейке 5 образуется нагретая примерно до 850-950К воздушная термически неравновесная плазма с колебательно- и электронно-возбужденными молекулами кислорода.

Полученную воздушную плазму смешивают с частью углеводородного топлива (например, метана), которая может быть отобрана от основного потока углеводородного топлива, подаваемого в камеру сгорания, и подвергают риформингу, интенсифицированному посредством возбужденных молекул кислорода, например, в плазмохимическом реакторе 6. Наиболее целесообразно осуществлять смешение углеводородного топлива с воздушной плазмой в условиях, которые рассчитаны и приспособлены к образованию богатой углеводородно-воздушной смеси с параметрами, обеспечивающими ее эффективный риформинг.

Так, например, для метановоздушной смеси параметры, необходимые для эффективного риформинга метана в синтез-газ, составят: эквивалентное соотношение топливо/окислитель ϕ=3-4, температура Т=800-900К, давление Р=-20 атм. Для образования богатой метановоздушной смеси отделяют примерно 20% от потока, поступающего в камеру сгорания, при этом температура образованной плазмы составляет порядка 800°С.

В предлагаемом изобретении воздействие разряда приходится только на окислитель (воздух), поскольку, как показали исследования, в богатых топливных смесях (ϕ=3) такой способ воздействия при прочих равных условиях в 2-3 раза энергоэффективнее, чем при обработке разрядом гомогенной заранее перемешанной метановоздушной смеси.

Отобранная часть топлива составляет примерно 20% от топлива, поступающего в камеру сгорания, т.к. такая величина расхода топлива, с одной стороны, достаточна для наработки необходимого количества нагретого синтез-газа в плазмохимическом реакторе, чтобы последний оказал существенное влияние на химические процессы в камере сгорания, а с другой стороны, не требует высоких энергетических затрат при обработке воздуха электрическим разрядом из-за малого расхода воздуха, который связан с расходом топлива через соотношение ϕ=3-4 (воздуха требуется в 3-4 раза меньше, чем при стехиометрическом сжигании топлива).

Объемная плотность энергии Es в разрядной ячейке должна быть не ниже 0.2 Дж/см³, а приведенная напряженность электрического поля E/N~1-5·10^-16 В·см² с тем, чтобы обеспечить возможность осуществления конверсии метана в синтез-газ в реакторе умеренной длины не более 1 м.

Такое значение E/N~1-5·10^-16 B·см² реализуется, например, в комбинированном несамостоятельном электрическом разряде, состоящем из высокочастотного импульсного разряда, объединенного с разрядом прямого тока (Ф.В.Плевако, С.А.Жданок, А.П.Чернухо, В.В.Наумов, A.M.Старик. Электроразрядный источник синглетного кислорода для интенсификации горения // Неравновесные физико-химические процессы в газовых потоках и новые принципы организации горения / Под ред. A.M.Старика. - М.: ТОРУС ПРЕСС, 2011. - 864 с., 433-448).

Основной причиной высокой эффективности разряда с E/N ~1-5·10^-16 В·см² для реализации низкотемпературного риформинга углеводородов является то, что электроны в таком разряде преимущественно возбуждают молекулы О₂ в колебательные и метастабильные синглетные состояния O₂(a¹Δ_g) и , а скорости реакций инициирования и продолжения цепи с участием этих возбужденных молекул при Т=800-1000 К на несколько порядков величины превышают скорости соответствующих реакций с участием невозбужденных молекул О₂, т.е. в этом случае происходит существенное ускорение цепного механизма, ответственного за воспламенение смеси и конверсию углеводородов в синтез-газ. При таких параметрах разряда и образовавшейся в плазмохимическом реакторе после смешения богатой метановоздушной смеси максимальные мольные доли содержания в воздушной плазме колебательно-возбужденных в основном электронном состоянии молекул кислорода и электронно-возбужденных молекул O₂(a¹Δ_g) и находятся в пределах 1-5% от полного количества кислорода в смеси.

После смешения плазму со скоростью U подают в плазмохимический реактор 6. Величина скорости U, с одной стороны, ограничена сверху требованием возможно полного превращения метановоздушной плазмы в синтез-газ в плазмохимическом реакторе 6, для чего необходимо успеть воспламенить смесь и, таким образом, достичь высоких температур, при которых эффективность риформинга близка к 100%.

С другой стороны, величина скорости U ограничена снизу, из-за того, что необходимо обеспечить достаточный скоростной напор, чтобы "продавить" образовавшийся синтез-газ в камеру сгорания 2, в которой реализуется достаточно высокое давление. Возможное значение скорости U при заданных выше параметрах смеси, ячейки 5, и длины реактора 6 равно ~10-20 м/с.

Образующийся при риформинге синтез-газ с температурой Т=1800-2000К из плазмохимического реактора 6 поступает в камеру сгорания 2, где смешивается с основной частью топливовоздушной смеси.

Наличие указанного выше количества нагретого до температуры Т=1800-2000К синтез-газа в камере сгорания изменяет реакционные механизмы горения смеси и образования оксидов азота NO и NO₂, что позволяет: (1) сократить длину камеры сгорания L и (2) существенно снизить образование NO_x, CO, сажи, а также несгоревших углеводородов C_nH_m в выхлопе при том же значении ϕ или дополнительно обеднить топливовоздушную смесь приблизительно до ϕ=0.25-0.2 при сохранении ее устойчивого горения, что также приведет к снижению.

Таким образом, поскольку сжигание синтез-газа термодинамически эффективней сжигания исходного углеводородного топлива (метана), а скорость горения синтез-газа даже с умеренным содержанием водорода (20%) заметно выше, чем для метана в воздухе при одинаковых условиях и составе топливовоздушной смеси, то даже частичная замена исходного углеводородного топлива на синтез-газ способствует снижению эмиссии экологически опасных компонентов и сокращению длины камеры сгорания при сохранении полноты сгорания и обеспечении той же температуры на выходе из камеры и работоспособности продуктов сгорания (т.е. в турбине не будет отниматься энергия от потока рабочего тела).

Однако для достижения этих целей необходимо проводить конверсию топлива в плазмохимическом реакторе 6 таким образом, чтобы количество Н₂ в синтез-газе значительно (в 3 и более раз) превышало количество СО. Такое соотношение между СО и Н₂ в синтез-газе достигается при частичном окислении достаточно богатых углеводородно-кислородных смесей. Отсюда вытекает упомянутое выше требование к начальному составу смеси в плазмохимическом реакторе (ϕ=3-4).

Таким образом, изобретение по сравнению с прототипом позволяет уменьшить потребление энергии электрическим разрядом, дополнительно интенсифицировать горение, уменьшить длину камеры сгорания и повысить эффективность работы ГТД или ГТУ при одновременном снижении эмиссии вредных веществ в атмосферу.

Изобретение может быть также использовано в двигателях для турбовозов (локомотивы с ГТУ) и в области судостроения.

Изобретение может использовано также в ГТУ в нефтедобывающей и газовой промышленности при утилизации, например, сопутствующих газов при разработке месторождений природного газа для получения электроэнергии или работы компрессорных станций по перекачке магистрального газа.