Les réglementations sur les émissions d'oxyde d'azote (NOX) des turbines à gaz stationnaires sont en train d'être renforcées dans le monde entier. En réponse à ce fait, Kawasaki (Japon) a développé un système de combustion DLE qui émet des NOX à un chiffre à utiliser avec sa turbine à gaz de 8 MW.
Moteur Kawasaki m7A-03D de 8 MW, conçu pour réduire les émissions de NOx
Kawasaki réduit ses émissions de NOX à un nouveau plus bas. Les émissions maximales garanties de NOX du système Dry Low Emissions (DLE) utilisé avec la turbine à gaz de 8 MW m7A-03 de la société ont été réduites de 15 ppm (parties par million) à 9 ppm (converties en 15% O2). Selon Kawasaki, c'est la première fois au monde que les émissions maximales garanties de NOX à un chiffre sont atteintes dans un système de combustion DLE à ce niveau de puissance.
La chambre de combustion DLE utilise une méthode de combustion à prémélange pour générer la fumée à haute température nécessaire pour que la turbine fonctionne à des vitesses élevées. Les NOX sont générés lors de la combustion du carburant des turbines à gaz, mais cette quantité d'émissions dépend principalement de la température de combustion. La technique de combustion du prémélange réduit la température de combustion, pas besoin de pulvériser de l'eau ou de la vapeur. En prémélangeant le carburant avec l'air, les émissions de NOx sont considérablement réduites. Grâce à cette caractéristique, la chambre de combustion DLE est largement utilisée dans les systèmes de combustion utilisés dans les turbines à gaz.
Cependant, le gros problème de la combustion mixte dans le passé était la stabilité, en particulier lorsqu'elle était utilisée pour réduire les émissions de NOx. Kawasaki surmonte une longue pierre d'achoppement technologique pour réduire les émissions de NOX de la chambre de combustion DLE. La force motrice derrière le développement réussi de ce nouveau système DLE, avec une stabilité de combustion respectable, est le moteur à combustion innovant appartenant exclusivement à l'entreprise.
Une particularité du mécanisme de combustion Kawasaki est la combustion à plusieurs étages utilisant le brûleur pilote, ainsi que les brûleurs principaux et supplémentaires. Cette dernière percée technologique en matière de réduction des émissions de NOX s'appuie sur une base solide de recherche et développement en cours sur les brûleurs DLE. Kawasaki a adopté le niveau de haute technologie acquis au fil des ans pour remplacer toutes ses chambres de combustion par des chambres de combustion prémélangées à faibles émissions.
Étant donné que les émissions de NOX peuvent provoquer du smog photochimique et des pluies acides, les turbines à gaz stationnaires doivent se conformer à des réglementations strictes dans le monde entier. Les normes d'émission de NOX ont été fixées à 25 ppm (ou moins) dans la plupart des pays, mais de plus en plus de gouvernements locaux se trouvent aux États-Unis et en Europe, où les citoyens sont très conscients de la qualité de l'air applique même des normes d'émissions de NOX plus strictes, exigeant une émission maximale. niveau de 15 ppm et 10 ppm dans certaines régions.
Pour répondre à ces normes d'émissions de NOX de plus en plus strictes, Kawasaki travaille à améliorer l'efficacité globale de ses turbines à gaz et à développer de nouvelles technologies de combustion qui réduiront les émissions des turbines à gaz. Kawasaki est à la recherche de nouvelles technologies pour servir les avantages environnementaux mondiaux, avec des produits plus efficaces et ayant moins d'impact sur l'environnement.
Atteignez un taux d'émissions à un chiffre
En réponse à l'exigence d'émissions de NOX inférieures à 15 ppm dans de nombreuses régions du monde, Kawasaki a mis en place un système de combustion DLE qui assure des émissions de NOX <15 ppm (à 15% d'oxygène) pour la turbine à gaz m7A-03 (classe 8 MW ) à partir de 2009 et pour la turbine à gaz L20A (classe 18 MW) à partir de 2010.
Pour répondre à la nouvelle demande des clients, Kawasaki a terminé le développement d'un système de combustion DLE qui émet des NOX à un seul chiffre. Leurs critères sont les émissions de NOX <9 ppm et de CO <25 ppm (à 15% d'oxygène). Kawasaki a adopté un système de combustion NOX DLE à un chiffre pour la turbine à gaz m7A-03, l'un des moteurs les plus vendus de Kawasaki.
Cette chambre de combustion NOX DLE à un chiffre a été développée en améliorant la chambre de combustion NOX DLE à 15 ppm de troisième génération. Le système de combustion de 15 ppm comprend les brûleurs à combustible pilote, le brûleur principal à combustible et le brûleur à combustible supplémentaire (voir la figure 1).
Les brûleurs à combustible pilote de ce système sont de type diffus, tandis que les brûleurs à combustible primaire et complémentaire sont prémélangés. Le brûleur à combustible complémentaire à prémélange est appliqué pour la première fois à cet ensemble de chambre de combustion. Ce brûleur présente des trous d'injection de carburant entre les fentes, et une longueur de mélange plus longue que celle d'un brûleur à carburant supplémentaire de type diffuseur. En appliquant ces technologies pour améliorer le mélange d'air et de carburant aux brûleurs à carburant supplémentaires, Kawasaki a garanti des émissions de NOX inférieures à 15 ppm dans la plage de charge de 50% à 100%.
Afin de développer une chambre de combustion NOx DLE à un chiffre, un brûleur d'amorçage de combustible prémélangé a été utilisé pour la première fois. Bien que la combustion de prémélange soit appliquée au brûleur pilote, les performances de l'allumage de la veilleuse et la stabilité de la flamme sont toujours très importantes et devraient être comparables à celles du diffuseur. Par conséquent, la concentration de carburant / air a été étudiée en utilisant la dynamique des fluides computationnelle (CFD), et les émissions, l'allumage et la stabilité des flammes par des essais et des essais sur le moteur.
La figure 2 montre une coupe transversale du brûleur pilote à diffusion de DLE NOX 15 ppm, la figure 3 montre la concentration carburant / air au niveau du plan de sortie du brûleur pilote obtenu par la méthode CFD.
Le but de l'utilisation de la combustion à prémélange pour le brûleur pilote est de réduire les émissions de NOx. La figure 4 montre les émissions de NOx à un seul chiffre de la section verticale du brûleur DLE du brûleur d'amorçage du combustible. Ce brûleur pilote a beaucoup de dégagements d'air et de trous d'injection de carburant placés entre les espaces.
Le carburant est injecté perpendiculairement à la direction du flux d'air. La force de déchirure de l'air augmente l'efficacité du mélange entre l'air et le carburant. La direction du mélange gazeux a été poussée de 90 °, de sorte que le mélange a été parfaitement mélangé en raison du mouvement turbulent.
La figure 5 montre la concentration de carburant / air au niveau du plan de sortie du brûleur à combustible pilote obtenu par la méthode CFD. La concentration combustible / air est homogène à l'intérieur du brûleur ainsi que sur le plan de sortie du brûleur, sauf dans une très petite zone autour du centre du brûleur.
L'essai sur l'étage est effectué au rapport air / carburant (AFR) équivalent à la plage de charge dans la plage 50% à 100% dans les conditions réelles du moteur. La figure 6 montre les performances d'émission de NOx dans ce test. En plus du brûleur à combustible pilote et du brûleur principal à combustible, un brûleur à combustible supplémentaire est également utilisé. Cet essai démontre que les émissions de NOX sont maintenues à un niveau bas dans toutes les régions du rapport air / carburant.
La figure 7 montre les performances d'émission du test moteur. Dans tous ces tests, les émissions de NOX et de CO ont atteint le niveau fixé (NOX <9 ppm, CO <25 ppm) dans la plage de charge 50% à 100%. À pleine charge, le niveau de NOX est le plus bas, autour de 4 ppm. A confirmé que la stabilité de la flamme atteignait une stabilité élevée lors des tests de délestage.
Conclure
Kawasaki a atteint des émissions extrêmement faibles (NOX <9 ppm et CO <25 ppm dans la plage de charge 50% à 100%) sur le moteur à turbine à gaz m7A-03 et a commencé à promouvoir cet article. Kawasaki a également annoncé qu'elle appliquerait ensuite la technologie à ses autres moteurs dans un marché qui s'intéresse de plus en plus aux produits écologiques et souhaite réduire davantage le fardeau environnemental.
