В последние годы экологическое законодательство России претерпевает серьезные изменения. Страна переходит на принцип «наилучших доступных технологий», для предприятий вводятся комплексные экологические разрешения.
Ужесточение норм касается и выбросов таких веществ, как окислы азота (NOx) и оксид углерода (CO). Они принадлежат к числу основных, наиболее проблемных загрязнителей атмосферного воздуха.
Новая технология, разработанная российской компанией, позволяет снизить вредные выбросы в атмосферу отечественных газоперекачивающих агрегатов до европейских стандартов.


АЛЕКСАНДР МАКАРОВ,
Генеральный директор АО «ЭКАТ».
АЛЕКСАНДР ШЕРСТОБИТОВ,
Начальник конструкторского бюро АО «ЭКАТ».


Согласно экологической политике ПАО «Газпром», с 2015 года концентрация оксидов азота в продуктах сгорания не должна превышать 50 мг/м3, а с 2020 года – 30 мг/м3. Сегодня ни один газоперекачивающий агрегат (ГПА) отечественного производства не может обеспечить соблюдение этих норм.

Таким образом, необходимо найти универсальный способ снижения концентрации NOx в продуктах сгорания газотурбинных приводов – как на вновь разрабатываемых, так и на находящихся в эксплуатации ГПА.

Все способы решения этой задачи можно разделить на две основные группы:

На сегодняшний день одним из самых перспективных является метод сухого подавления, относящийся к первой группе. Он подразумевает изменение устройства камеры сгорания таким образом, чтобы при ее работе не образовывалось большого количества загрязняющих веществ. К сожалению, этот метод может использоваться только в ГПА нового поколения, еще на стадии проектирования.

Когда же речь идет о газовых турбинах без камеры сухого подавления (как на уже функционирующих ГПА, так и на новых), возможна только очистка образующихся выбросов. Согласно мировой практике, наилучшей доступной технологией в этом случае является система каталитического восстановления (СКВ). Одним из ее основных элементов является катализатор.
Фото 1. Внешний вид катализатора
Фото 1. Внешний вид катализатора

СКВ основана на реакции восстановления оксидов азота реагентом на поверхности гетерогенного катализатора в присутствии кислорода. Термин «селективный» в данном случае отражает предпочтительное протекание каталитической реакции реагента с оксидами азота по сравнению с кислородом, который в то же время служит реагентом в каталитической реакции. Конечным продуктом реакции являются безопасные компоненты – пары воды, углекислый газ, азот.

Физико-химические основы СКВ-процесса

В окислительной среде в зависимости от типа применяемого катализатора оксиды азота могут восстанавливаться аммиаком по следующим реакциям:
4NO + 4NH3 + O2 = 4N2+6H2O (1)
6NO + 4NH2 = 5N2 + 6H2O (2)
2NO2 + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6H2O (3)
6NO + 8NH3 + O2 = 7N2 + 12H2O. (4)

Наряду с ними возможно протекание побочных реакций:
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O (5)
4NH3 + 5O2 =4NO + 6H2O (6),
которые приводят к дополнительному расходованию аммиака (снижению селективного процесса) по уравнению (5) и образованию оксида азота в согласии с (6).

Скорости каждой из реакций зависят от температуры. С ее повышением реакции (5), (6) ускоряются несколько сильнее, чем реакции (1)(4). Поэтому при СКВ-процессе наибольшая эффективность очистки NO достигается при определенном температурном «окне». Ширина и абсолютный температурный уровень этого «окна» в определенной мере зависят от типа используемого катализатора.

В качестве химического восстановительного реагента чаще всего используют аминосодержащие вещества. Например, водный раствор карбамида или аммиака. Как правило, восстановительный агент инжектируется в поток отходящих газов до катализатора, вблизи поверхности которого с разной степенью интенсивности происходят восстановительные реакции. В результате оксиды азота переходят в молекулярный азот.

Скорость подачи и расход восстановительного реагента определяются концентрацией NOх на входе и выходе системы очистки. Выбор реагента зависит от ряда факторов: требований к эффективности, простоты эксплуатации, отсутствия риска загрязнения катализатора и пр.

Капитальные и эксплуатационные затраты на систему впрыска зависят от реагента.

Стоимость системы впрыска

Аммиак

Водный раствор аммиака

Карбамид

Стоимость оборудования, %

100

125

160

Стоимость реагента, %

100

145

105

Энергопотребление, %

100

650

400

Примечания: За 100% брался расход 150 кг/ч безводного аммиака.
В стоимость оборудования включены испаритель, система разбавления и система управления.
Мочевина становится конкурентоспособной для турбин небольшой мощности.
Источник: АО «ЭКАТ» по данным Mitsubishi

Выбор катализатора

В качестве катализаторов для СКВ-установок в последние годы стали применяться сотовые керамические элементы в форме параллелепипедов с продольными каналами различного сечения. В основном эти катализаторы производятся экструзией однородной катализаторной массы, каналы имеют квадратное сечение различных размеров.

Применение катализаторов позволяет многократно усилить эффективность некаталитического восстановления оксидов азота, уменьшить расход реагентов, значительно снизить температуру процесса и повысить стабильность системы очистки. При этом эффективность очистки превышает 90%.

Как правило, для систем СКВ выпускают катализаторы трех типов, предназначенные для разных температурных режимов: низких – 170–350 0C; средних – 350–480 0C и высоких – свыше 500 0C.
(см. Рис.1 «Эффективность работы трех типов катализаторов при различных температурах»)

Рисунок 1. Эффективность работы трех типов катализаторов при различных температурах
Рис.1 «Эффективность работы трех типов катализаторов при различных температурах»
Источник: АО «ЭКАТ»

Для низких и средних температур применяют катализаторы на основе оксидов ванадия-титана-вольфрама, для высоких – бета-цеолитные с оптимальной рабочей температурой 350–400 0С. Температуры выше 530 0C могут привести к необратимому повреждению таких катализаторов. В этом случае либо используются более дорогие бета-цеолитные катализаторы, способные работать при высоких температурах, либо предусматривается система охлаждения газового потока до катализатора.

Эффективность системы разбавления воздухом для снижения температуры и однородности зависит, прежде всего, от грамотного проектирования на основе проверенных методов моделирования.

Взаимодействие катализатора с реагентом приводит к постепенному разрушению каталитического слоя. При износе катализатора эффективность очистки снижается. К тому же возникает большой процент проскока реагента, не вступившего в каталитическую реакцию. Чем выше температура, тем больше опасность проскока реагента и разрушения катализатора.

Как правило, для СКВ используются катализаторы на основе ванадия/титана с оптимальной рабочей температурой 320–350 0С.

Катализаторы, работающие при более высоких температурах, обычно дороже, менее эффективны и менее долговечны. Таким образом, перед заказчиком встает выбор: либо использовать более дорогой высокотемпературный катализатор, либо нести капитальные и эксплуатационные затраты на системы разбавления воздухом. При этом необходимо учесть потенциальную потерю производительности ГПА (противодавление может привести к снижению мощности и КПД турбины).

При установке СКВ после ГПА важно не только правильно подобрать реагент и катализатор, но и соблюсти следующие технические условия:
Только в случае одновременного выполнения трех вышеуказанных условий система селективного каталитического восстановления будет эффективным решением для нейтрализации оксидов азота.

Курсом импортозамещения

Хотя преимущества каталитического сжигания известны более 20 лет, промышленная реализация этой технологии в России ранее не была востребована. Дело в том, что подавляющее большинство агрегатов, удовлетворяющих экологическим требованиям, производились зарубежными компаниями Siemens и GE. Однако сегодня, на фоне политики импортозамещения и снижения курса рубля, поставки западного оборудования оказались под угрозой.

По этой причине в 2016 году в России был разработан и применен комплекс новых технических решений по установке газоочистного оборудования на выхлопные шахты ГПА. Целью проекта являлось снижение выбросов NOx в составе ГПА до европейских стандартов – не более 50 мг/м3.

Для решения этой задачи компания «ЭКАТ» (портфельная компания Инфрафонда РВК) спроектировала систему СКВ выхлопных газов ГПА. Она включает в себя модули, устанавливаемые в выхлопном тракте агрегата, а также дополнительные модули обеспечения, размещаемые на площадке агрегата.

Для очистки дымовых газов ГПА от окислов азота был проведен комплекс аэродинамических расчетов выхлопного тракта с установленной системой СКВ. Предложенная компоновка обеспечила выравнивание потока и разрушение вихревых образований, ограничила отклонения векторов скоростей от нормали на входе в катализатор (не более 15%).

В ходе конструирования системы СКВ была также определена оптимальная структура носителя катализатора и несколько каталитических композиций. Использование катализатора в виде сотовых керамических элементов и индивидуально подобранный конструктив системы, основанный на расчетах, позволили добиться минимального сопротивления. Это является важным критерием при подборе оборудования для очистки выброса ГПА.

Превзойти европейские нормативы

В начале августа 2016 года СКВ-система была успешно смонтирована. И уже в сентябре компания приступила к испытаниям. Для экспериментальной проверки каталитической системы были составлены программа и методика испытаний, предусматривающие несколько режимов работы.
Фото 2. Пилотная СКВ-система, установленная после ГПА «Урал»
Фото 2. Пилотная СКВ-система, установленная после ГПА «Урал»

По итогам приемочных испытаний были официально зарегистрированы показатели, полностью соответствующие техническому заданию заказчика и даже превышающие их. Эффективность очистки в зависимости от выбранного режима и расхода реагента составила от 28% до 100%. Это доказывает способность системы в несколько раз превзойти европейские нормативы.

Фото 3. Лабораторное тестирование катализатора подавления оксидов азота
Фото 3. Лабораторное тестирование катализатора подавления оксидов азота

Итак, благодаря реализации проекта была решена стратегически важная задача. Теперь появилась возможность применять газоперекачивающие агрегаты отечественного производства, обеспечив при этом соответствие мировым экологическим стандартам. Таким образом, российское оборудование, оснащенное системой СКВ производства «ЭКАТ», может успешно внедряться как в РФ, так и за рубежом, в том числе при строительстве новых газопроводов.