Селективное каталитическое восстановление nox

Обновлено: 05.07.2024

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Кочарян А.Г., Черепанов А.А., Тухватуллин З.Я., Макаров А.А., Шерстобитов А.П.

В ООО «Газпром трансгаз Чайковский» на компрессорной станции (КС) «Горнозаводская» впервые был разработан и применен комплекс новых технических решений по установке газоочистного оборудования на газотурбинном агрегате ГПА-16 «Урал». В рамках проекта были определены оптимальная структура катализатора и его активные вещества, выбран реагент для протекания реакции, а также проведены аэродинамические расчеты для выравнивания потока. Успешно проведенные приемочные испытания системы селективного каталитического восстановления (СКВ) для нейтрализации выбросов оксидов азота на ГПА показали эффективность очистки до 100 % в зависимости от выбранного режима и расхода реагента. В рамках реализации проекта была достигнута стратегически важная задача - возможность применять ГПА отечественного производства с технологией СКВ, соответствующие мировым экологическим стандартам, как в России, так и за рубежом, в том числе при строительстве новых газопроводов.

Текст научной работы на тему «Система селективного каталитического восстановления для очистки выбросов газовых турбин»

ТРАНСПОРТИРОВКА ГАЗА И ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА

СИСТЕМА СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫБРОСОВ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

УДК 504.3.054; 504.3.06

А.Г. Кочарян, ООО «Газпром трансгаз Чайковский (Чайковский, РФ)

З.Я. Тухватуллин, ООО «Газпром трансгаз Чайковский»

А.А. Макаров, к.т.н., АО «ЭКАТ» (Пермь, РФ)

А.П. Шерстобитов, АО «ЭКАТ»

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: СЕЛЕКТИВНОЕ КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ, ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩИЕ АГРЕГАТЫ, СУХОЕ ПОДАВЛЕНИЕ, ОКСИДЫ АЗОТА, ОКСИДЫ УГЛЕРОДА, НАИЛУЧШИЕ ДОСТУПНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЕ.

Промышленно-экономическое развитие любой страны сопровождается, как правило, ростом загрязнения окружающей среды. Одним из экологических факторов, оказывающих наиболее выраженное влияние на человека, является качество воздуха. На современном этапе развития основными источниками поступления в воздушный бассейн загрязняющих веществ, таких как взвешенные вещества, оксиды азота (N0^, углерода (СО) и серы, становятся антропогенные источники загрязнения. Загрязнение окружающей среды и, в частности, атмосферы имеет неблагоприятные последствия для здоровья не только настоящего, но и будущих поколений. В связи с этим на первый план выходит разработка мероприятий, направленных на уменьшение выбросов вредных веществ.

ПАО «Газпром», в свою очередь, ведет системную работу по минимизации воздействия на окружающую среду. Основной экологической целью при осуществлении дочерними обществами компании производственной деятельности является снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух.

В утвержденной в 2009 г. Научно-технической политике ОАО «Газпром» в области газоперекачивающей техники определены ориентировочные параметры газоперекачивающих агрегатов (ГПА), которые необходимо учитывать при применении ГПА на объектах «Газпрома» в долгосрочной перспективе (до 2020 г), при этом содержание оксидов азота в выхлопных газах приводных двигателей не должно превышать 50 мг/м3 к 2015 г. и 30-25 мг/м3 к 2020 г., а содержа-

ние оксида углерода не должно составлять более 100 мг/м3 [1].

Таким образом, появляется необходимость поиска универсального способа снижения концентрации Ы0Х в продуктах сгорания газотурбинных приводов как на вновь разрабатываемых, так и на находящихся в эксплуатации ГПА.

Поставленную задачу можно решить двумя способами:

• снижением выбросов за счет принципиального изменения конструкции ГПА (сухое подавление выбросов КЮХ);

• доочисткой выбросов на выходе из ГПА (селективное каталитическое восстановление - СКВ, селективное некаталитическое восстановление).

В табл. 1 приводятся наилучшие доступные технологии (НДТ), по данным Европейской комиссии, позволяющие нейтрализовать

Таблица 1. НДТ для снижения выбросов NOx и ОД от газовых турбин [2]

Тип установки Уровень выбросов, соответствующий НДТ, мг/м3 при н. у. N0, СО Уровень содержания кислорода, % Варианты НДТ для достижения данных уровней

Новые газовые турбины (ГТ) 20-50 5-100 15 Горелки предварительного смешения с сухим подавлением N0, или СКВ

Сухое подавление выбросов NOx для существующих ГТ 20-75 5-100 15 Горелки предварительного смешения с сухим подавлением выбросов N0, в качестве модернизации, если возможно

Действующие ГТ 50-90 30-100 15 Впрыск воды или пара или СКВ

Таблица 2. Методы предотвращения и контроля выбросов NOx от ГТ [2]

Применимость Эксплуатационный опыт

Метод Экологическая выгода На новых установках На модернизированных установках Перекрестные влияния Примечания

Камера сгорания с сухим подавлением выбросов N0, Сокращение N0, Стандартное В зависимости от ГТ Высокий В случаях, когда возможна реконструкция старых турбин, затраты могут быть очень высокими и составлять до 50 % затрат на новую турбину

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

СКВ Возможно Возможно Выбросы аммиака В зависимости от конкретной ситуации

выбросы NOx и ^ от газовых турбин.

Сухое подавление является перспективным методом нейтрализации NOx, но его применение не всегда экономически обосновано: затраты на реконструкцию действующей газовой турбины сопоставимы с половиной стоимости новой турбины. Таким образом, СКВ является более универсальным способом снижения выбросов ГПА.

Основные особенности методов предотвращения и контроля выбросов оксидов азота от газовых турбин представлены в табл. 2.

ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА СКВ

Система СКВ представляет собой модули, устанавливаемые в выхлопном тракте ГПА, и дополнительные модули обеспечения ее работы, размещаемые на площадке агрегата (рис. 1).

Восстановитель впрыскивается в поток дымовых газов на входе

Система подачи реагента

Бак с реагентом

Рис. 1. Схематичное изображение системы СКВ

ТРАНСПОРТИРОВКА ГАЗА И ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА

Рис. 2. Типы катализаторов СКВ: а) сотовый керамический; б) пластинчатый

Рис. 3. Внешний вид катализатора

Рис. 4. Система СКВ, установленная на ГПА-16 «Урал»

в катализатор. Преобразование 1\ЮХ происходит на поверхности катализатора путем одной из следующих основных реакций:

1) с аммиаком в качестве восстановителя:

2) с мочевиной в качестве восстановителя:

Скорость подачи и расход восстановительного реагента определяются концентрацией 1\Юх на входе и выходе системы очистки [2].

В качестве катализаторов для СКВ-установок применяются катализаторы в форме (рис. 2):

• сотовых керамических блоков;

получили сотовые керамические катализаторы (рис. 3). В основном эти катализаторы производятся экструзией однородной катали-заторной массы, каналы имеют квадратное сечение различных размеров [3].

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Благодаря использованию катализаторов в процессе очистки уменьшается расход реагента, значительно снижается температура нейтрализации оксидов азота, и при этом эффективность очистки превышает 90 %.

При установке СКВ после ГПА важно не только правильно подобрать реагент и катализатор, но и соблюсти следующие технические условия:

• определить экономическую целесообразность: снизить температуру выхлопных газов разбавлением воздухом или использовать катализатор для высоких температур;

• обеспечить равномерное распределение температуры, концентрации паров реагента и 1\ЮХ в момент попадания газо-

вого потока на каталитические блоки;

• обеспечить минимальное противодавление в системе.

Только в случае одновременного выполнения трех вышеуказанных условий система СКВ будет эффективным решением для нейтрализации оксидов азота [4].

В 2015-2016 гг. в рамках НИОКР «Разработка технологии по сокращению выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух» на КС «Горнозаводская» ООО «Газпром трансгаз Чайковский» (Пермский край)впервые был разработан и применен комплекс новых технических решений по установке газоочистного оборудования на газотурбинном агрегате ГПА-16 «Урал» производства НПО «Искра».

Проект инициирован ООО «Газпром трансгаз Чайковский» совместно с ООО «Газпром ВНИИГАЗ». К решению поставленной задачи была привлечена компания «ЭКАТ», разработавшая систему СКВ. В процессе проектирования активное участие принимали сотрудники НПО «Искра» -владельца конструкторской документации на ГПА. В рамках работы над НИОКР проведен анализ комплекта документации по дорабатываемому агрегату, и, учитывая взаиморасположение агрегатов на территории КС и конструктивные особенности системы выхлопа ГПА, выполнена доработка агрегата с учетом оптимальной компоновки системы (рис. 4).

Кроме того, был проведен комплекс аэродинамических расчетов выхлопного тракта с установленной системой СКВ. Предложенная компоновка системы СКВ позволила обеспечить выравнивание потока, разрушение вихревых образований, отклонений векторов скоростей от нормали на входе в катализатор не более 15 %.

В ходе конструирования системы СКВ были также определены

Таблица 3. Результаты замеров концентрации N0,, в отходящих газах ГПА при приемочных испытаниях системы СКВ

Мощность ГПА 0 л/мин 0,32 л/мин 0,45 л/мин 0,47 л/мин 0,48 л/мин 0,55 л/мин 0,86 л/мин

Концентрации NOx в отходящих газах ГПА

0,5 номинала 137 мг/м3 - - - 0 мг/м3 - -

0,75 номинала 149 мг/м3 48 мг/м3 - 42,9 мг/м3 - - -

1,0 номинала 180 мг/м3 - 123 мг/м3 - - 84 мг/м3 16 мг/м3

оптимальная структура носителя катализатора и несколько каталитических композиций (рис. 5). Разработаны алгоритмы работы включения и отключения исполнительных механизмов системы СКВ в автоматическом и ручном режимах по командам САУ СКВ. Предусмотрены автоматическая система управления подачи реагента по сигналу САУ и дополнительно вариант с альтернативной (резервной) системой подачи реагента.

В сентябре 2016 г. после завершения монтажа системы СКВ на ГПА-16 «Урал» успешно прошли приемочные испытания. Для экспериментальной проверки каталитической системы были составлены программа и методика испытаний, регламентирующие проверку системы в нескольких режимах работы. В комиссию вошли представители ПАО «Газпром», ООО «Газпром трансгаз Чайковский», ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и специалисты других организаций.

Задачами испытаний являлись: проверка параметров выхлопных газов ГПА на соответствие паспортным данным производителя ГТУ, проверка основных характеристик системы СКВ на минимальном, номинальном и оп-

тимальном для газотранспортной системы режимах работы ГПА, подтверждение работоспособности системы СКВ по снижению концентрации оксидов азота.

Испытания системы СКВ показали эффективность очистки до 100 % в зависимости от выбранного режима ГПА и расхода реагента, что позволило не только достичь требуемых европейских нормативов, но и превзойти их в несколько раз (табл. 3). Технология использования данной системы очень проста и не требует дополнительной подготовки персонала.

Разработанная система СКВ в ООО «Газпром трансгаз Чайковский» позволяет эффективно справляться с выбросами КЮх от ГПА. В зависимости от выбранного режима и расхода реагента эффективность очистки составляет почти 100 %.

В рамках реализации проекта была достигнута стратегически важная задача - доказана возможность применения ГПА отечественного производства, соответствующих мировым экологическим стандартам. Россий-

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 5. Лабораторное тестирование катализатора подавления оксидов азота

Рис. 6. Контрольный замер. Концентрация N0х после очистки составила 0,1 мг/м3

ское оборудование, оснащенное системой СКВ, может быть успешно внедрено как в России, так и за рубежом, причем как на уже эксплуатируемых ГПА, так и при строительстве новых газопроводов. ■

1. Научно-техническая политика ОАО «Газпром» в области газоперекачивающей техники (утв. Председателем Правления 20 октября 2009 г. № 01-110).

3. Ходаков Ю.С. Оксиды азота и теплоэнергетика: проблемы и решения. М.: ЭСТ-М, 2001. 416 с.

4. Chupka M., Licata A. Independent Evaluation of SCR Systems for Frame-Type Combustion Turbines Report for ICAP Demand Curve Reset prepared for NYISO. October 2013.

Оксиды азота относятся к основным загрязнителям атмосферы в индустриально развитых регионах нашей планеты, оказывающим вредное воздействие на здоровье человека и окружающую среду.

Селективное каталитическое восстановление является наиболее эффективным средством снижения выбросов NOх и уже длительное время используется на предприятиях Европы, США и Юго-Восточной Азии.
Применение катализаторов позволяет многократно усилить эффект некаталитического восстановления оксидов азота, снизить расходы реагентов, существенно снизить температуру процесса и повысить стабильность системы очистки.
Эффективность очистки в случае использования данного метода – свыше 90%. В сочетании с технологией сухого подавления позволяет обеспечить соблюдение нижней границы европейских экологических нормативов по NOx (20 мг/м3).
В состав системы СКВ входят:
1) Каталитический реактор
2) Система подачи реагента

Рис. 1 Схематичное изображение системы СКВ

Каталитическая газоочистка представлена химическими процессами восстановления газом-восстановителем до простейших составляющих. Конечным продуктом реакции являются безопасные компоненты – пары воды, углекислый газ, азот.
Восстановительный агент (реагент), инжектируется в поток дымовых газов до катализатора. Вблизи поверхности катализатора происходят с разной степенью интенсивности восстановительные реакции, в результате которых оксиды азота переходят в молекулярный азот. Скорость подачи и расход восстановителя определяются концентрацией NOx на входе и выходе из системы очистки.
Инжекция аммиака осуществляется преимущественно вдувом смеси воздуха с предварительно испаренным и подмешанным безводным аммиаком, реже – впрыском водного раствора аммиака непосредственно в поток.
Инжекция карбамида осуществляется преимущественно непосредственным впрыском раствора карбамида в поток дымовых газов. Либо предварительной газификацией и разложением карбамида с получением аммиачно-газовой смеси и последующим вдувом.

Специалисты компании ЭКАТ также подготовили свой обзор существующих технологий обезвреживания выбросов ГТУ, ознакомиться с ним вы можете здесь.
Мы надеемся, что представленное нами обобщение опыта в области снижения эмиссии NOx будет полезным для всех специалистов, занятых в нефтегазовой отрасли.

Российское законодательство постоянно ужесточает экологические требования к промышленным предприятиям, а мировой тренд в области наилучших доступных технологий (НДТ) направлен в сторону использования максимально эффективных и экологически безопасных технологий.
Предприятия все больше озадачены соблюдением экологических нормативов, в частности, у ПАО «Газпром» существует политику в отношении выбросов, образующихся в результате эксплуатации газоперекачивающих агрегатов (далее ГПА).

Ужесточение нормативов выбросов ГПА в ПАО «Газпром»

На сегодняшний день ни один ГПА отечественного производства не может обеспечить соблюдение таких норм. В связи с этим в настоящее время актуальным вопросом является поиск оптимального способа снижения концентрации NOx и CO в продуктах сгорания газотурбинных приводов как на вновь разрабатываемых, так и на находящихся в эксплуатации ГПА.

На сегодняшний день метод сухого подавления, относящийся к первой группе, является одним из самых перспективных. Он подразумевает изменение устройства камеры сгорания, при работе которой не образуется большое количество загрязняющих веществ. К сожалению, применение данного метода ограничено в силу того, что он может использоваться только в ГПА нового поколения, в которых было предусмотрено его наличие на стадии проектирования.
В случаях, когда речь идет о газовых турбинах без камеры сухого подавления (как на уже функционирующих ГПА, так и на новых), возможна только очистка образующихся выбросов. Одним из способов может служить применение в составе ГПА системы селективного каталитического восстановления (далее СКВ).
Рассмотрим сравнение двух вышеназванных технологий, применяемых для снижения концентрации NOx и CO.

Сравнительная таблица двух основных методов подавления оксидов азота

Селективное каталитическое восстановление является наиболее эффективным средством снижения выбросов NOх и CO и уже длительное время используется на предприятиях Европы, США и Японии, а также для очистки выбросов NOх от большегрузного транспорта.
В мировой практике СКВ применяется как в качестве автономной системы очистки, так и в качестве системы доочистки после системы сухого подавления выбросов. В таблице приведены выдержки из наилучших доступных технологий (НДТ) Евросоюза, касающиеся рекомендаций по очистке выбросов NOx и CO от ГПА. СКВ является наилучшей доступной технологией для ГПА как нового, так и старого поколения.

Мировая практика использования систем очистки выбросов ГПА

Подводя итоги, выделим основные преимущества использования технологии селективного каталитического восстановления при очистке выбросов NOx и CO.

Преимущества ГПА с системой СКВ

Соответствие тенденциям развития ГПА по обеспечению экологических требований.
Полностью произведено в России, что соответствует политике импортозамещения.
Возможность комплектовать газотранспортную систему за рубежом отечественными ГПА.

В настоящее время в России наблюдается ужесточение норм концентрации вредных веществ в выхлопных газах газоперекачивающих агрегатов (ГПА). Так, в частности, согласно экологической политике ОАО «Газпром», с 2015 г. концентрация оксидов азота NOx в продуктах сгорания не должна превышать 50 мг/м3, а с 2020 г. — 30 мг/м3. На сегодняшний день ни один ГПА отечественного производства не может обеспечить соблюдение таких норм.
Таким образом, появляется необходимость поиска универсального способа снижения концентрации NOx в продуктах сгорания газотурбинных приводов как на вновь разрабатываемых, так и на находящихся в эксплуатации ГПА.
Одним из способов может служить применение в составе ГПА системы селективного каталитического восстановления (далее СКВ).

Описание системы

СКВ является наиболее эффективным средством снижения выбросов NOх и уже длительное время используется на предприятиях Европы, США и Юго-Восточной Азии. Применение катализаторов позволяет многократно усилить эффект некаталитического восстановления оксидов азота, снизить расходы реагентов, существенно снизить температуру процесса и повысить стабильность системы очистки.

Система работает следующим образом: модули системы СКВ встраиваются в выхлопной тракт существующего газоперекачивающего агрегата. Система СКВ обеспечивает очистку выхлопа ГПА до заданного значения концентрации NOx. Для этой цели в выхлоп ГПА впрыскивается мелкодисперсный раствор реагента. По мере движения капель реагента по выхлопному тракту в высокотемпературном выхлопе, жидкость, содержащаяся в реагенте, испаряется. Попав на слой катализатора, реагент вступает в восстановительную реакцию с оксидами азота, в результате чего оксиды восстанавливаются до безвредного молекулярного азота. Очищенный воздух выбрасывается в атмосферу. Эффективность очистки в случае применения этого метода составляет более 90%.

В качестве катализаторов в последние годы для СКВ-установок стали применяться катализаторы, изготовленные в виде сотовых керамических элементов, имеющих форму параллелепипедов с продольными каналами различного сечения. В основном эти катализаторы производят экструзией однородной катализаторной массы; каналы имеют квадратное сечение с минимальными размерами 2х2 мм.
В силу того, что производительность системы СКВ, в первую очередь, зависит от температуры выхлопного газа в момент его прохождения через катализатор, для СКВ, как правило, используются катализаторы на основе ванадия/титана, которые имеют оптимальную рабочую температуру 350-400 °С.

Пример реализации проекта

Заказчик: ПАО «Газпром» (ООО «Газпром трансгаз Чайковский»)

Объект: газоперекачивающий агрегат ГПА-16 «Урал» производства НПО «ИСКРА» на КС «Горнозаводская»

Задача: снижение выбросов NOx в составе ГПА-16 «Урал» до европейских стандартов (не более 50 мг/м3)

Решение: проведение обследования, проектирование и разработка системы селективного каталитического восстановления на основе раствора карбамида в качестве реагента, проведение монтажа и пусконаладочных работ

Описание проекта

Результаты приемочных испытаний системы СКВ

Подводим итоги

Селективное каталитическое восстановление является эффективным средством снижения выбросов NOх. Каталитическая система очистки, разработанная в процессе НИОКР, справляется с выбросами, характерными для ГТУ, с эффективностью до 100%, в зависимости от выбранного режима и расхода реагента.
В рамках НИОКР была достигнута стратегически важная задача – возможность применять газоперекачивающие агрегаты отечественного, в том числе и пермского производства, соответствующие мировым экологическим стандартам. Таким образом, ГПА, поставляемые НПО «ИСКРА», оснащенные системой СКВ производства компании «ЭКАТ», могут успешно внедряться как в России, так и за рубежом, в том числе при строительстве новых газопроводов. Стоит также отметить, что системы СКВ могут быть востребованы и в других отраслях, например, в теплоэнергетике и в производстве цемента и стекла.

Читайте также: