Экспериментальные исследования влияния озонирования воздуха на эмиссию загрязняющих веществ в вихревых запально-стабилизирующих модулях камер сгорания газотурбинных установок

Снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу является актуальной задачей развития современного газотурбостроения. К таким веществам, оказывающим негативное влияние на окружающую среду, относятся оксиды азота и монооксид углерода. Приводится обзор существующих методов снижения эмиссии загрязняющих веществ, используемых при сжигании углеводородных топлив в камерах сгорания газотурбинных установок, а также указаны перспективные технологии, разрабатываемые на базе этих методов. Представлено обоснование необходимости исследования метода озонирования воздуха, подаваемого в зону горения топлива, для снижения содержания загрязняющих веществ в его продуктах сгорания. Целью исследования являлась разработка рекомендаций по снижению эмиссии загрязняющих веществ в заданном диапазоне изменения режимных параметров. Для выполнения необходимого комплекса экспериментальных исследований создан специализированный лабораторный стенд, совмещённая принципиальная и измерительная схема которого приведена в статье. Дано достаточно подробное описание конструктивных элементов стенда и, в частности, предмета исследования — натурного вихревого запально-стабилизирующего модуля камеры сгорания газотурбинной установки, электроозонирующего устройства, систем подачи воздуха и горючего газа, вытяжки с центральным вентилятором, контрольно-измерительных приборов и арматуры. Испытания проводились в соответствии со специально разработанными методиками управления работой стенда на трёх режимах: пуска; перевода с одного установившегося режима на другой; останова. Влияние озонирования воздуха на процессы горения в вихревом запально-стабилизирующем модуле определялось по содержанию в нём оксидов азота и монооксида углерода. Определены факторы, под воздействием которых в случае сжигания воздуха в озонированном воздухе происходит уменьшение концентрации монооксида углерода в продуктах сгорания. Излагаются методики расчётного определения параметров горючего газа и воздуха: массовых расходов; скоростей течения и динамических напоров. Результаты выполненных экспериментальных исследований представлены в графической интерпретации, приводится достаточно подробный их анализ, на основании которого даны рекомендации по практическому использованию метода озонирования воздуха.

1. Булысова Л. А., Васильев В. Д. Научные проблемы и достижения в разработке и исследовании камер сгорания ГТУ / Электрические станции 2023; 2: 2–6.

2. Разработка малоэмиссионных камер сгорания энергетических ГТУ А. Г. Тумановский, Л. А. Булысова, В. Д. Васильев, М. Н. Гутник, М. М. Гутник / Теплоэнергетика 2021; 6: 68–76.

3. Combustion performance of low calorific gas enriched by oxygen and ozone R. Paulauskas, R. Skvorčinskienė, K. Zakarauskas, N. Striugas / Fuel 2022; 324: 124761.

4. Scrutiny of residual nitrogen content and different nozzle designs on NOX formation during oxy-fuel combustion of natural gas C. Schlucknera, C. Gabera, M. Demuthb, C. Hochenauera / Fuel 2020; 277: 118065.

5. Analysis of Gas-Turbine Type GT-009 M Low-Toxic Combustion Chamber with Impact Cooling of the Burner Pipe Based on Combustion of Preliminarily Prepared Depleted Air–Fuel Mixture S. Maspanov, I. Bogov, A. Smirnov, S. Martynenko, V. Sukhanov / Energies 2022; 15: 707.

6. Particulate Matter Emissions from Aircraft B. Owen, J. G. Anet, N. Bertier, S. Christie, M. Cremaschi, S. Dellaert, J. Edebeli, U. Janicke, J. Kuenen, L. Lim, E. Terrenoire / Atmosphere 2022; 13: 1230.

7. Analysis of the Exothermic Reaction of Flame Ignition in the Combustion Chamber of a Gas Turbine Unit S. Maspanov, I. Bogov, S. Martynenko, V. Sukhanov / Energies 2023; 16: 7395.

8. Особенности работы газотурбинной установки на смеси водорода и природного газа А. М. Балакин, А. Р. Бадамшин, Ю. В. Матвеев, М. А. Лаптев, В. В. Барсков Международная научно-практическая конференция «Развивая энергетическую повестку будущего» для представителей сообщества молодых инженеров ТЭК. СанктПетербург 10–11 декабря 2021 2021: 53–57.

9. Comparison between Hydrogen and Syngas Fuels in an Integrated Micro Gas Turbine / Solar Field with Storage M. C. Cameretti, A. Cappiello, R. De Robbio, R. Tuccillo / Energies 2020; 13: 4764.

10. Reactivity enhancement of natural gas/diesel RCCI engine by adding ozone species A. Gharehghani, M. M. Salahib, A. M. Andwarib, M. Mikulski, J. Könnö / Energy 2023; 274: 127341.

11. A kinetic investigation on low-temperature ignition of propane with ozone addition in an RCM W. Liao, Z. Chu, Y. Wang, B. Yang / Proceedings of the Combustion Institute 2023; 39(1): 395–403.

12. The Effect of Ozone Addition on Combustion: Kinetics and Dynamics W. Sun, X. Gao, B. Wu, T. Ombrello / Progress in Energy and Combustion Science 2019; 73: 1–25.