Цикл сгорания с дожиганием генераторного газа

Цикл сгорания с дожиганием генераторного газа — это термодинамический цикл работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) или газотурбинной установки (ГТУ), в котором сжигание топлива происходит в два этапа: сначала в первичной камере сгорания (или цилиндре) при недостатке окислителя для получения генераторного газа, а затем во вторичной камере (или на выходе из турбины) — его дожигание с дополнительным подводом воздуха или кислорода. Основная цель такого цикла — повышение термического КПД установки, снижение выбросов вредных веществ (NOx, CO) или обеспечение работы двигателя на низкокалорийных и твёрдых топливах (уголь, биомасса, отходы). Цикл с дожиганием генераторного газа является разновидностью комбинированных и регенеративных циклов, применяемых в энергетике, транспортном машиностроении и химической технологии.

История

Идея двухстадийного сжигания топлива возникла в начале XX века в связи с попытками использовать в ДВС низкокалорийные газы, получаемые из угля и древесины. В 1920-х годах немецкий инженер Рудольф Эррен разработал схему газогенераторного двигателя, в котором газ, полученный в газогенераторе, сжигался в цилиндре, однако из-за низкой теплотворной способности требовался предварительный подогрев. В 1930–1940-е годы в СССР и Германии велись работы по созданию газогенераторных автомобилей (ЗИС-21, ГАЗ-42), где генераторный газ (смесь CO, H₂, N₂) подавался в цилиндры двигателя, но дожигание как отдельный этап не применялось.

Современный цикл с дожиганием начал активно разрабатываться в 1960–1970-е годы в связи с ужесточением экологических норм и стремлением повысить КПД газотурбинных установок. В 1970-х годах компания General Electric предложила концепцию «дожигания» (afterburner) для авиационных турбореактивных двигателей, где топливо сжигалось за турбиной для увеличения тяги. В стационарной энергетике цикл с дожиганием генераторного газа (так называемый «цикл с промежуточным охлаждением и дожиганием») был реализован в установках комбинированного цикла с газификацией угля (IGCC — Integrated Gasification Combined Cycle). Первые промышленные IGCC-станции появились в США и Европе в 1980-х годах (например, Cool Water в Калифорнии, 1984 год).

В России и странах СНГ исследования в этой области проводились в Институте проблем машиноведения РАН, на кафедрах двигателестроения МАДИ и МГТУ им. Баумана. В 2000-х годах были разработаны экспериментальные установки для сжигания генераторного газа из биомассы и отходов с дожиганием в камере сгорания газотурбинного двигателя.

Принцип работы

Цикл сгорания с дожиганием генераторного газа включает два последовательных процесса:

1. Первичная газификация (генерация газа). Твёрдое или жидкое топливо (уголь, древесина, торф, мазут) подвергается частичному окислению в газогенераторе при недостатке кислорода (коэффициент избытка воздуха α < 1). В результате образуется генераторный газ, состоящий в основном из оксида углерода (CO), водорода (H₂), метана (CH₄), азота (N₂) и диоксида углерода (CO₂). Температура процесса — 600–1200 °C.

1. Дожигание. Полученный генераторный газ смешивается с дополнительным воздухом или кислородом и сжигается в камере сгорания (или в цилиндре ДВС) при α > 1. Это обеспечивает полное окисление горючих компонентов (CO, H₂, CH₄) до CO₂ и H₂O с выделением тепла, которое преобразуется в механическую работу.

В газотурбинных установках дожигание может осуществляться за турбиной (в форсажной камере) или в специальной камере дожигания, расположенной между ступенями турбины. В поршневых ДВС дожигание может происходить в выпускном тракте или в отдельном реакторе.

Термодинамические особенности

Цикл с дожиганием позволяет повысить среднюю температуру подвода тепла и, соответственно, термический КПД по циклу Карно. Однако из-за потерь на газогенерацию и дополнительного сопротивления в тракте реальный прирост КПД составляет 3–8% по сравнению с обычным циклом сжигания. Важным параметром является соотношение первичного и вторичного воздуха, которое определяет состав генераторного газа и температуру дожигания.

Классификация

Циклы сгорания с дожиганием генераторного газа классифицируются по нескольким признакам.

По типу первичного топлива

• На твёрдом топливе (уголь, торф, биомасса, отходы). Наиболее распространённый вариант, так как газификация позволяет использовать низкокалорийные и высокозольные топлива.
• На жидком топливе (мазут, нефтяные остатки, отработанные масла). Применяется реже, обычно в установках малой мощности.
• На газообразном топливе (природный газ, попутный нефтяной газ). В этом случае первичная стадия — частичное окисление метана до синтез-газа (CO + H₂).

По типу двигателя

• Газотурбинные установки (ГТУ). Дожигание осуществляется в форсажной камере или в камере сгорания с регенерацией тепла. Характерны для стационарной энергетики и авиации.
• Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Генераторный газ подаётся в цилиндры, где происходит его сжигание; дожигание может быть организовано в выпускном коллекторе или в каталитическом нейтрализаторе.
• Комбинированные установки (паро-газовые, IGCC). Включают газогенератор, газовую турбину и паровую турбину, работающую на тепле отходящих газов.

По способу организации дожигания

• Внутреннее дожигание — в камере сгорания или цилиндре двигателя (прямой впрыск воздуха).
• Внешнее дожигание — в отдельном аппарате (камере дожигания, котле-утилизаторе) с последующим использованием тепла в теплообменнике или паровой турбине.

Применение

Цикл сгорания с дожиганием генераторного газа находит применение в следующих областях:

• Энергетика. Установки комбинированного цикла с газификацией угля (IGCC) позволяют сжигать уголь с КПД до 45–50% и сниженными выбросами SO₂ и NOx. Примеры: станция «Эльба» (Германия, 2002 год), проект «Куанг-Нинь» (Вьетнам, 2010-е годы).
• Авиация. Форсажные камеры турбореактивных двигателей (например, Pratt & Whitney F100, General Electric F110) используют дожигание топлива за турбиной для кратковременного увеличения тяги.
• Автомобильная техника. Газогенераторные автомобили (исторически — ЗИС-21, ГАЗ-42; современные экспериментальные образцы на биомассе) работают по циклу с дожиганием генераторного газа в цилиндрах.
• Утилизация отходов. Установки для сжигания твёрдых бытовых отходов (ТБО) и промышленных отходов с газификацией и дожиганием генераторного газа (например, технология «Thermoselect»).
• Химическая промышленность. Получение синтез-газа для последующего синтеза метанола, аммиака или жидких углеводородов (процесс Фишера–Тропша).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Возможность использования низкокалорийных и твёрдых топлив (уголь, биомасса, отходы), что расширяет сырьевую базу.
• Снижение выбросов оксидов азота (NOx) за счёт ступенчатого сжигания и контроля температуры.
• Повышение термического КПД по сравнению с обычными циклами сжигания (на 3–8%).
• Уменьшение содержания сажи и несгоревших углеводородов в выхлопных газах.

Недостатки

• Сложность конструкции и высокая стоимость оборудования (газогенератор, система подачи воздуха, камера дожигания).
• Потери тепла на стадии газификации (до 10–15% от теплотворной способности топлива).
• Необходимость очистки генераторного газа от смол, золы и сернистых соединений перед подачей в двигатель.
• Ограниченная мощность и ресурс установок при работе на высокозольных топливах.

Интересные факты

• В 1940-е годы в СССР был разработан газогенераторный двигатель для танка Т-34, работавший на древесном угле; мощность двигателя снижалась на 30–40% по сравнению с бензиновым, но дожигание не применялось.
• В авиации дожигание (форсаж) позволяет увеличить тягу двигателя на 50–70% за счёт сжигания топлива в выхлопной струе, но расход топлива при этом возрастает в 2–3 раза.
• Современные IGCC-установки способны улавливать до 90% CO₂ из выхлопных газов (технология Carbon Capture and Storage, CCS), что делает их перспективными для «чистой» угольной энергетики.

Источники

1. Термодинамика и теплопередача / Под ред. В. А. Кириллина. — М.: Энергия, 1975.
2. Газотурбинные установки / А. И. Леонтьев, В. В. Олимпиев. — М.: Машиностроение, 2002.
3. Газификация твёрдых топлив / Б. М. Равич. — М.: Госэнергоиздат, 1960.
4. Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) Technologies / Ed. by T. Wang. — Woodhead Publishing, 2016.
5. Двигатели внутреннего сгорания: теория и расчёт / В. Н. Луканин, М. Г. Шатров. — М.: Высшая школа, 2005.
6. Экологические аспекты сжигания топлива / Ю. А. Золотов. — М.: Наука, 1990.