TUGAS KELOMPOK

TURBIN UAP DAN GAS

“ PERAWATAN SALURAN BUANG TURBIN GAS “

DISUSUN OLEH :

SUGIANTO 11042103611042101104210

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2012

BAB 9.PERAWATAN SALURAN BUANG TURBIN GAS

Untuk satu derajat atau lain kita semua hidup dengan polusi udara. Angin dan hujan terus menerus encer dan menghapus kontaminan polusi ( meskipun sampai batas tertentu ini hanya mengubah mereka dari polusi udara menjadi polusi air). Kesadaran dari polusi udara lebih besar di sekitar komersial dan industri pembakaran bahan bakar fosil tanaman dan di kota-kota besar kami di seluruh dunia. Polusi udara merupakan masalah karena , dalam jumlah yang cukup , itu merugikan kesehatan kita dan anak-anak kita . Kami telah mengidentifikasi komponen polusi udara adalah hidrokarbon, karbon monoksida, dan oksida sulfur dan nitrogen oksida. Kami juga telah menentukan bahwa, di seluruh dunia, alam menghasilkan lebih banyak polusi daripada manusia. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 9-1 alam menghasilkan lebih dari tiga kali jumlah oksida sulfur dan sepuluh kali jumlah nitrogen oksida daripada manusia . Tabel ini adalah kompilasi dari tingkat emisi tahunan dari hidrokarbon , karbon monoksida , senyawa belerang , dan nitrogen oksida dimana sumber adalah studi dari seluruh dunia , konsentrasi , dan tenggelam telah dibuat .

Sementara tabel ini menunjukkan bahwa sumber-sumber alam melebihi buatan manusia sumber , lokal - di mana sebagian besar polutan yang dihasilkan buatan manusia polutan yang dihasilkan - gambar mungkin sama sekali berbeda . Contoh adalah di kota-kota besar kami yang mana mobil membuat kontribusi besar untuk jumlah polusi yang ada saat ini. Ketika kita melihat jumlah kontaminan yang dihasilkan oleh masing-masing bagian peralatan pembakaran bahan bakar fosil , serta jumlah dan lokasi dari peralatan tersebut , kita mulai mengerti bahwa kita dapat dan harus memperbaiki lingkungan kita sendiri . Produk-produk pembakaran dari turbin gas pembakaran bahan bakar hidrokarbon yang rinci dalam tabel 9-2.

Table 9-1. SUMBER PENCEMAR ATMOSFER ALAM & BUATAN MANUSIA

Emisi Alami (kg/yr) Buatan manusia (kg/yr) Rasio Alam/Buatan manusiaHydrocarbons1 159 × 109 24 × 109 6

Carbon Monoxide2 3.2 × 1012 0.24 × 1012 13

Sulfur Oxides 1,3,4 415 × 109 139 × 109 3

Nitrogen Oxides5,6 45 × 1010 4.5 × 1010 10

Table 9-2. GAS BUANG PRODUK TURBINE GAS DARI PEMBAKARAN BAHAN BAKAR HIDROKARBON UDARA KERING

KONSTITUEN Berat % KETERANGAN

N2 - Nitrogen 74,16 Sebagian inert, dari atmosfer

O2 - Oxygen 16,47 Dari kelebihan Udara

CO2 - Carbon Dioxide 5,47 Produk pembakaran sempurna

H2O - Water 2,34 Produk pembakaran sempurna

A - Argon 1,26 Inert, dari atmosfer

Hidrokarbon yang tidak terbakar

jejak Produk pembakaran tidak sempurna

CO - CarbonMonoxide• Panas• Organik

jejak Produk pembakaran tidak sempurnaDari fiksasi N2 atmosferDari bahan bakar nitrogen terikat

SOx - Oxides of Sulfur jejak Dari Sulfur dalam bahan bakar

Melihat bagaimana polusi yang dibuat dalam proses pembakaran membawa kita untuk memahami bagaimana mengontrol atau menghilangkan polusi dari sumbernya.

Karbon monoksida (CO)

Emisi karbon monoksida adalah fungsi dari desain ruang bakar , khususnya zona reaksi utama bakar itu. Desain pembakar baru sedang dievaluasi untuk mengurangi emisi ini. Untuk sementara , CO dapat diobati secara efektif dengan catalytic converter.

Oksida Nitrogen ( NOx )

Oksida nitrogen diproduksi terutama sebagai oksida nitrat ( NO ) di daerah yang lebih panas dari zona reaksi pembakaran ruang bakar. Nitrogen oksida ( NOx ) yangditemukan di knalpot adalah produk dari pembakaran bahan bakar hidrokarbon di udara . Dalam proses ini oksida nitrogen terbentuk oleh dua mekanisme : NO Thermal dan NO Organik . Mekanisme dominan dalam pembentukan NOx dalam pembakar turbin gas tergantung pada kondisi seperti suhu reaksi , waktu tinggal pada suhu tinggi , rasio bahan bakar / udara di dan setelah zona reaksi pembakaran , komposisi bahan bakar [ bahan bakar nitrogen terikat ( FBN ) konten ] , geometri ruang bakar , dan pola pencampuran di dalam ruang bakar tersebut .

NO termal sangat bergantung pada temperatur , dan oleh karena itu , diproduksi di daerah terpanas dari ruang bakar tersebut . Air dan injeksi uap berkontribusi untuk mengurangi suhu pembakaranpada beban yang diberikan .

Organik NO terbentuk selama pembakaran dengan kombinasi kimia dari atom nitrogen , yang merupakan bagian dari molekul bahan bakar , dan oksigen di udara . Jumlah NO Organik yang dihasilkan dipengaruhi oleh kandungan nitrogen bahan bakar , faktor yield ( ukuran FBN ) , rasio bahan bakar / udara , dan teknik pengurangan seperti air dan injeksi uap

NOx emisi dari pembakaran bahan bakar berbagai dibandingkan dengan metana terbakar ( CH4 ) gas , dapat diperkirakan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9-1 untuk bahan bakar gas dan Gambar 9-2 untuk bahan bakar cair .7 Seperti yang ditunjukkan dalam angka-angka , emisi NOx untuk bahan bakar paling likuid ( kecuali metanol cair ) lebih tinggi dari gas metana . Sementara emisi NOx dari bahan bakar gas yang paling sesuai dengan yang metana . Hal ini secara langsung berkaitan dengan jumlah nitrogen bakar terikat dalam bahan bakar . Pengolahan bahan bakar gas , seperti menggosok air , dapat menghapus beberapa dari nitrogen - bantalan senyawa ( seperti hidrogen sianida ) . Jumlah nitrogen bakar terikat dalam bahan bakar minyak cair tergantung pada sumber minyak mentah dan proses ning refi . Sifat bahan bakar cair dan gas yang rinci dalam Lampiran C7 dan C8 .

Secara umum, emisi oksida nitrogen meningkatkan proporsi langsung untuk kenaikan suhu pembakaran seperti yang ditunjukkan pada gambar 9-3. Modifikasi untuk desain pembakar sejumlah model turbin gas telah menunjukan bahwa penurunan yang signifikan NOx dapat dicapai. Faktor lain yang mempengaruhi tingkat tingkat polutan di atmosfer adalah waktu yang diperlukan untuk setiap konstituen untuk dikonsumsi oleh berbagai mekanisme yang tersedia yang disebut tenggelam . Sebagai Tabel 9-3 menunjukkan , nitrogen oksida bertahan sampai 5 hari , sementara karbon monoksida dapat bertahan hingga 3 tahun .

Gambar 9-1 . Perbandingan Thermal relatif NOx yang dihasilkan oleh metana dengan berbagai bahan bakar gas . Courtesy of Solar Turbines Incorporated.

Selain rendah NOx Desain pembakar, metode yang digunakan untuk mengurangi emisi adalah injeksi air dan Uap injeksi ke pembakar, dan sebuah reaktor katalitik yang selektif (SCR) di knalpot turbin.

Tabel . 9-3 . Waktu tinggal Trace Elemen Atmosfer .

Emisi MasaCO8 1-3 TahunNO5 1/2-1 HariNO2

5 3-5 HariHC (as CH4)8 1,5 HariSOx5 3-4 HariP-M9 jam sampai hari ( troposfer )

hari sampai tahun (stratosphere)

Gambar 9-2 . Perbandingkan Thermal relatif NOx yang dihasilkan dari metana dengan berbagai bahan bakar cair Courtesy of Solar Turbines Incorporated

Gambar 9-3. Khas NOx emisi sebagai fungsi temperatur.

AIR ATAU UAP INJEKSI

Kekuatan pembesaran diperoleh dengan pendingin udara yang masuk pembakar turbin gas melalui penguapan air diperkenalkan ke udara. Pendingin udara meningkatkan rapatan udara dan aliran massa. Lebih banyak air dan pendingin udara untuk pembakar memungkinkan lebih banyak bahan bakar untuk dibakar sebelum mencapai batas suhu masuk turbin. Untuk mendapatkan pendinginan yang efektif cairan dengan kalor penguapan tinggi lebih disukai dan air memiliki kalor penguapan tinggi. Keduanya air dan Uap Injeksi meningkatkan keluaran daya turbin gas dengan menambahkan aliran massa melalui turbin.

INJEKSI AIR:

Selama pengembangan awal turbin gas, air disuntikkan ke kompresor, diffuser atau pembakar untuk meningkatkan output daya. Teknik ini diaplikasikan kepada kedua pesawat "jet" mesin turbin gas untuk meningkatkan lepas landas dorong, dan stasioner berat industri turbin gas untuk puncak kekuasaan. Hari ini, untuk mengendalikan pembentukan NO organik, demineralized/dideionisasi air disuntikkan langsung ke zona pembakaran turbin gas sehingga mempengaruhi reaksi kimia antara proses pembakaran. Selain menurunkan suhu api dan gas, air menguap juga meningkatkan aliran massa melalui mesin. Akibatnya , pada output daya yang konstan , pembakaran dan suhu turbin berkurang . Kombinasi suhu pembakaran berkurang dan perubahan dalam reaksi kimia dapat mengurangi pembentukan NOx hingga 80 % . Jumlah air yang diperlukan untuk mencapai hal ini pengurangan NOx adalah fungsi dari diffuser , bakar , dan desain bahan bakar nozzle . Air tingkat injeksi umumnya dikutip sebagai rasio air untuk bahan bakar atau sebagai persentase dari aliran udara masuk kompresor . Injeksi kadar air untuk kerangka turbin 80 MW khas berat gas akan menjadi 0,6 air-to - fuel ratio atau 1,15 % dari aliran udara total. Jumlah air yang disuntikkan ke dalam diffuser atau ruang bakar dibatasi oleh beberapa faktor . Injeksi air bergerak garis operasi lebih dekat ke garis lonjakan kompresor ( Gambar 9-4 ) . Juga , terlalu banyak air akan memadamkan api pembakaran , sehingga mengakibatkan api keluar. Air yang digunakan untuk NOx kontrol Demineralisasi dan deionisasi untuk menghilangkan deposito dari pembentukan pada permukaan logam panas dari ruang bakar , nozel turbin , dan pisau turbin . Ketika menangani demineralisasi / deionisasi air , perawatan harus dilakukan untuk memilih bahan yang tahan terhadap serangan yang sangat reaktif . Oleh karena itu , perpipaan harus 304L AISI dan katup dan pompa harus stainless steel 316L .

Gambar 9-4. Operasi baris shift dengan injeksi air.

INJEKSI UAP

Untuk cogeneration dan aplikasi combined cycle , uap adalah pilihan yang sangat baik untuk mengendalikan emisi dari turbin gas . Hal ini disebabkan tidak hanya ketersediaan uap pada kondisi yang sesuai , tetapi juga untuk peningkatan substansial yang dapat dicapai dalam tingkat turbin gas panas . Tidak seperti air , uap memasuki ruang bakar tersebut sudah menguap . Oleh karena itu, energi untuk menguapkan uap dilestarikan . Namun , karena uap adalah 300 ° F ( 150 ° C ) sampai 500 ° F ( 260 ° C ) derajat lebih panas daripada air , api dengan kemampuan pendinginan berkurang , dan uap maka lebih diperlukan untuk mencapai jumlah yang sama pengurangan NOx . Uap persyaratan arus yang nominal 1,5-2,0 kali yang diperlukan untuk injeksi air . Injeksi uap tingkat untuk operasi turbin gas khas aeroderivative pada 25 megawatt adalah 3,3 % dari aliran udara masuk kompresor . Sebagai fungsi dari aliran massa ( uap bahan bakar ) , rasio hingga 2,4 berat telah digunakan.10 Namun , ada juga batasan untuk jumlah uap yang dapat disuntikkan ke dalam turbin gas pada umumnya , dan ke zona ruang bakar utama pada khususnya . Injeksi uap maksimum total ke dalam turbin gas adalah antara 5 % dan 20 % dari aliran udara yang ada . Jumlah diijinkan uap yang akan disuntikkan ke dalam zona bakar primer dibatasi oleh karakteristik flameout dari ruang bakar tersebut . Juga jumlah diijinkan uap disuntikkan untuk pembesaran listrik diatur oleh pertimbangan mekanik dan keterbatasan tekanan kompresor rasio . Pada basis per - pon , uap mengandung energi ekspansi lebih dari udara; Cp uap adalah sekitar dua kali Cp udara . Output daya keuntungan dari injeksi uap adalah sekitar 4 % untuk setiap 1 % dari disuntikkan uap ( di mana % uap diinjeksikan mengacu pada aliran turbin utama) . Grafik berikut ( Gambar 9-5 ) menunjukkan efek dari injeksi uap konstan 5 % pada beban membawa kemampuan turbin gas yang khas . Untuk tujuan perbandingan , variasi output dengan suhu lingkungan ditunjukkan untuk turbin yang sama tanpa injeksi uap .

SELEKTIF PENGURANGAN KATALITIK

Pengurangan katalis selektif ( SCR ) adalah sebuah proses di mana NOx akan dihapus dari aliran gas buang oleh suntikan amonia ( NH3 ) ke dalam aliran dan reaksi kimia berikutnya dengan adanya katalis . Untuk kondisi gas diberikan ( suhu , komposisi gas , dll ) kinerja SCR adalah fungsi dari jenis katalis dan geometri , waktu tinggal gas dalam reaktor , dan jumlah amonia disuntikkan hulu dari reaktor . Pemilihan katalis adalah spesifik c untuk suhu di mana ia diharapkan untuk beroperasi . Amonia digunakan dalam proses dapat berupa anhidrat atau berair . Sistem injeksi sedikit berbeda tergantung pada jenis amonia disuntikkan . Reaksi kimia dasar11 adalah :

Gambar 9-5. Pembesaran daya dengan injeksi uap.

4NO + 4NH3 + O2 ⇒ 4N2 + 6H2O (9-1)

6NO + 4NH3 ⇒ 5N2 + 6H2O (9-2)

2NO2 + 4NH3 + O2 ⇒ 3N2 + 6H2O (9-3)

6NO2 + 8NH3 ⇒ 7N2 + 12H2O (9-4)

NO + NO2 + 2NH3 ⇒ 2N2 + 3H2O (9-5)

Katalis SCR terbuat dari titanium, tungsten, dan unsur-unsur vanadium,. Faktor-faktor yang

mempengaruhi desain SCR adalah jenis bahan bakar, muatan debu, kondisi gas buang dan

efisiensi NOx yang diperlukan. Efisiensi SCR dapat didefinisikan sebagai jumlah NOx dihapus

dibagi dengan jumlah NOx hadir dalam aliran masuk.

Reaktor SCR terdiri dari katalis , rumah , dan sistem injeksi amonia ( Gambar 9-6 ) . Dalam

sebagian besar aplikasi ukuran reaktor lebih besar dari ukuran saluran dan karena itu , divergen /

konvergen saluran transisi digunakan sebelum dan setelah reaktor , masing-masing. Perawatan

harus diambil dalam penyusunan desain fisik dari reaktor SCR , terutama berkaitan dengan

penurunan tekanan aliran gas . Penurunan tekanan aliran gas di urutan 2 inci ( 50mm ) sampai 4

inci ( 100mm ) kolom air biasanya dapat diterima .

Amonia anhidrat adalah murni , murni , amonia cair . Dalam bentuk ini adalah sangat beracun

dan berbahaya . Amonia anhidrat cair diperluas melalui pemanas , dicampur dengan udara , dan

disuntikkan ke dalam knalpot turbin gas ( Gambar 9-7 ) .

Amonia berair ( NH4OH ) adalah campuran amonia ( 30 % ) dan air ( 70 % ) . Karena itu

diencerkan itu kurang berbahaya daripada amonia anhidrat . Penyuntikan amonia berair hanya

sedikit lebih rumit daripada menyuntikkan amonia anhidrat . Sebuah pompa diperlukan untuk

memindahkan amonia berair ke tangki alat penguap agar bercampur dengan panas [ 575 ° F ( 300

° C ) sampai 850 ° F ( 455 ° C ) ] udara . Ada campuran amonia / air menguap , dan uap amonia

dan uap air akan diteruskan ke manifold injeksi untuk injeksi ke dalam knalpot turbin gas .

Gambar 9-6 . Selektif pengurangan katalitik.

Gambar 9-7 . sistem injeksi Amonia anhidrat.

EFEK PARAMETER OPERASI

Temperatur Gas

NOx puncak efisiensi penyisihan pada suhu yang berbeda untuk katalis yang berbeda . Oleh

karena itu, pemilihan katalis, dan lokasi di dalam aliran gas buang tergantung pada profil operasi

turbin gas dan temperatur .

Konsentrasi uap air

Kandungan uap air dalam gas buang memiliki efek buruk pada efisiensi penyisihan NH3 . Oleh

karena itu , kenaikan hasil kadar uap air dalam efisiensi SCR rendah .

Efek penuaan

Kinerja katalis cenderung memburuk dengan waktu . Tingkat kerusakan yang tinggi pada awal

operasi dan menjadi moderat setelah penyelesaian awal .

Slip Amonia

Secara teori jumlah amonia yang disuntikkan ke dalam aliran gas harus sama dengan jumlah

NOx disingkirkan dari aliran gas. Namun, karena amonia tidak sepenuhnya bercampur dengan

NOx, amonia lebih harus disuntikkan. Slip amonia adalah amonia sisa kelebihan gas hilir. Juga,

berdasarkan katalis yang dipilih, SO2 dapat mengkonversi ke SO3. Ketika amonia, uap air, dan

SO3 menggabungkan amonia sulfat terbentuk sebagai berikut 12:

SO3 + 2NH3 + H2O ⇒ (NH4)2HSO4 (9-6)

SO3 + NH3 + H2O ⇒ (NH4)HSO4 (9-7)

Sulfat amonia adalah zat lengket yang akan deposit di hilir peralatan dari SCR . Deposito

tersebut akan mengakibatkan mengurangi luas penampang dan meningkatkan tekanan balik .

Untuk setiap kolom kenaikan air inch daya menurunkan tekanan balik sebesar 0,25 % dan

meningkatkan panas 0,25 % . Sulfat Amonia mulai membentuk amonia saat tergelincir lebih

besar dari 10 ppm dan konsentrasi SO3 lebih besar dari 5 ppm . Masalah ini cenderung terjadi

ketika suhu gas buang yang dipertahankan di atas 400 ° F ( 205 ° C ) dan menggunakan gas alam

atau bahan bakar rendah sulfur.

Referensi

1. “Atmospheric Chemistry: Trace Gases and Particulates,” W.H. Fisher (1972).

2. “The Sulfur Cycle,” W.W. Kellogg (1972).

3. “Ground Level Concentrations of Gas Turbine Emissions,” H.L. Hamilton, E.W. Zeltmen

(1974).

4. “Air Quality Standards National and International,” S. Yanagisawa, (1973).

5. “Emissions, Concentrations, And Fate Of Gaseous Pollutants,” R. Robinson, R.C. Robbins (1971).

6. “Abatement of Nitrogen Oxides Emission for Stationary Sources,” National Academy of

Engineers (1972).

7. “Gas Turbine Fuels,” W.S.Y. Hung, Ph.D., Solar Turbines, Inc, 1989.

8. “Carbon Monoxide: Natural Sources Dwarf Man’s Output,” T.N. Maugh II (1972).

9. “Physical Climatology,” W.D. Sellers (1965).

10. “Examine Full Impact Of Injecting Steam Into Gas-Turbine Systems” Elizabeth A. Bretz,

Power Magazine, June 1989.

11. “Design And Operating Experience of Selective Catalytic Reduction Systems for NOx

Control In Gas Turbine Systems,” S.M. Cho and A.H. Seltzer, Foster Wheeler Energy Corp., and

Z. Tsutsui, Ishikawajima- Harima Heavy Ind.

12. “Design Experience of Selective Catalytic Reduction Systems For Denitrification of Flue

Gas,” S.M. Cho, Foster Wheeler Energy Corp.