Результат интеллектуальной деятельности: Система выхлопа

Изобретение относится к системам очистки газов от оксидов азота и может быть использовано для очистки выхлопных газов газотурбинных двигателей (ГТД), например, газоперекачивающих агрегатов, газотурбинных электростанций.

Во многих странах мира были приняты законодательные нормы на предельно допустимое содержание определенных веществ в выхлопных газах, образующихся при работе ГТД. Речь при этом преимущественно идет о веществах, выброс которых в окружающую среду нежелателен. Одним из таких веществ является оксид азота (NO_x), доля которого в выхлопных газах не должна превышать законодательно установленных предельно допустимых значений. Снижение содержания оксидов азота в выхлопных газах ГТД за счет внесения изменений во внутреннее устройство двигателя возможно лишь в ограниченных пределах, которые зачастую не удовлетворяют законодательно установленным предельно допустимым значениям. Это создает необходимость использования дополнительных способов для снижения значения NO_x в выхлопных газах ГТД.

Одним из таких способов является способ селективного каталитического восстановления (СКВ) оксидов азота. СКВ представлено химическими процессами восстановления оксидов азота газом-восстановителем до простейших составляющих. Конечным продуктом реакции являются безопасные компоненты - пары воды и азот.

Известен патент РФ №2424042 «Способ селективного каталитического восстановления оксидов азота в отработавших газах, образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания, и система выпуска отработавших газов (ОГ)», где система выпуска ОГ имеет катализатор селективного каталитического восстановления (СКВ-катализатор), устройство для подачи по меньшей мере одного из следующих реагентов (далее УПР):

а) восстановителя (аммиак);

б) предшественника восстановителя (раствор карбамида).

Суть метода состоит в том, что восстановительный агент (реагент-восстановитель), в качестве которого может использоваться раствор карбамида или аммиак, с помощью УПР инжектируется в поток выхлопных газов до СКВ-катализатора. При прохождении газа через СКВ-катализатор происходят с разной степенью интенсивности восстановительные реакции, в результате которых оксиды азота переходят в молекулярный азот. Скорость подачи и расход восстановителя определяются концентрацией NO_x на выходе с турбины ГТД.

Известен патент РФ №2208184 «Газоперекачивающая станция», в котором газовыхлопной тракт (система выхлопа) включает газоход, диффузор, переходник (проставку), выхлопную трубу.

Известна также полезная модель (патент РФ №45474) «Система выхлопа и утилизации тепла выхлопных газов газотурбинных установок», являющаяся ближайшим аналогом предлагаемого изобретения. В систему выхлопа непосредственно входят: газоход, переходник (проставка), утилизатор тепла, проточная часть которого выполнена в виде диффузора (диффузор), дымовая труба (выхлопная труба).

Горячие выхлопные газы от двигателя по газоходу, проходя через проставку и диффузор, попадают в выхлопную трубу, на выходе из которой выбрасываются в атмосферу.

Установка УПР в газоход и СКВ-катализатора в выхлопную трубу системы выхлопа, указанной в прототипе, позволяет реализовать метод селективного каталитического восстановления для очистки выхлопных газов ГТД от NOx.

В таком случае недостатком данной полезной модели является то, что данная система выхлопа не обеспечивает эффективной работы метода СКВ, т.к. в силу конструктивных особенностей проточной части системы выхлопа (повороты, резкие расширения/сужения) не обеспечивается требуемая аэродинамическая равномерность потока по сечению СКВ-катализатора, являющаяся важнейшим условием для его эффективной работы, а также является требованием СТО 70238424.13.040.40.001-2008 к установкам очистки дымовых газов от оксидов азота по технологии селективного каталитического восстановления (СКВ).

Задачей изобретения является обеспечение улучшения очистки выхлопных газов ГТД путем повышения эффективности применения метода СКВ.

Технический результат заключается в обеспечении аэродинамической равномерности потока выхлопных газов на входе в СКВ-катализатор за счет введения дополнительных конструктивных элементов в проточную часть элементов системы выхлопа (диффузор и проставка).

Технический результат достигается тем, что в системе выхлопа, включающей газоход с устройством для подачи реагента-восстановителя, проставку, диффузор и трубу выхлопа, содержащую катализатор селективного каталитического восстановления, на входе и выходе проставки установлены решетки с ячейками в виде каналов, а диффузор снабжен продольными пластинами, скрепленными своими ребрами с внутренней поверхностью диффузора и образующими между собой и со стенками диффузора конические газовые каналы с углом раскрытия 7-10 градусов.

Возможно выполнение решеток с ячейками в виде каналов с увеличением количества ячеек в области максимальных скоростей выхлопных газов, образующихся при работе ГТД.

Установка решеток с ячейками в виде каналов на входе и выходе проставки согласно экспериментальным данным позволяет обеспечить выравнивание параметров выхлопных газов на входе в диффузор, а именно скорости потока выхлопных газов за счет сопротивления, создаваемого решетками, и однонаправленности потока выхлопных газов (без возвратных течений) за счет формы ячеек в виде каналов.

Увеличение количества ячеек в области максимальных скоростей выхлопных газов создает повышенное сопротивление потоку выхлопных газов в этой области, что дополнительно заставляет выхлопные газы распределяться более равномерно по поверхности решеток.

Снабжение диффузора продольными пластинами, скрепленными ребрами с его внутренней поверхностью диффузора и образующими между собой и со стенками диффузора конические газовые каналы с углом раскрытия 7-10 градусов, исключает образование новых вихрей (устраненных после прохождения выхлопных газов через проставку, на входе и выходе которой установлены решетки с ячейками в виде каналов) в потоке выхлопных газов и обеспечит аэродинамическую равномерность потока по сечению СКВ-катализатора на входе.

Угол раскрытия конических каналов 7-10 градусов обусловлен тем, что при угле раскрытия менее 7 градусов увеличенное количество продольных пластин создает дополнительное сопротивление в газовом тракте системы выхлопа, а угол раскрытия более 10 градусов не гарантирует исключение образования новых вихрей в потоке выхлопных газов и обеспечения аэродинамической равномерности потока по сечению на входе в СКВ-катализатор.

Изобретение поясняется фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.

На фиг. 1 изображен продольный разрез системы выхлопа.

На фиг. 2 - вид сверху на проставку с установленными на ее входе и выходе решетками.

На фиг. 3 изображен вид сбоку проставки с установленными на ее входе и выходе решетками.

На фиг. 4 - изометрия проставки с установленными на ее входе и выходе решетками.

Система выхлопа, включающая газоход 1 с устройством для подачи реагента-восстановителя 2, проставку 3, диффузор 4 и трубу выхлопа 5, содержащую катализатор селективного каталитического восстановления 6, при этом на входе и выходе проставки 3 установлены решетки 7 с ячейками в виде каналов 8, а диффузор 4 снабжен продольными пластинами 9, скрепленными ребрами с внутренней поверхностью диффузора 4 и образующими между собой и со стенками диффузора 4 конические газовые каналы 10 с углом раскрытия 7-10 градусов. При этом решетки 7 с ячейками в виде каналов 8 выполнены с увеличением количества ячеек в области максимальных скоростей выхлопных газов 11.

Устройство работает следующим образом.

Выхлопные газы из ГТД поступают в газоход 1 системы выхлопа, на входе в который происходит впрыск реагента-восстановителя устройством подачи реагента-восстановителя 2. После чего газовый поток, перемешанный с реагентом-восстановителем, поступает в проставку 3, на входе и выходе которой установлены решетки 7 с ячейками в виде каналов 8. Затем уже равномерный однонаправленный газовый поток поступает в диффузор 4, снабженный продольными пластинами 9, скрепленными ребрами с внутренней поверхностью диффузора и образующими между собой и со стенками диффузора конические газовые каналы 10 с углом раскрытия 7-10 градусов, после чего поступает в СКВ-катализатор 6, установленный в выхлопной трубе 5.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает аэродинамическую равномерность потока выхлопных газов на входе в СКВ-катализатор.