Способы подавления образования оксидов азота

9.5.2. Подавление образования оксидов азота

Снижение выбросов оксидов азота можно достигнуть двумя путями:

— за счет организации процесса сжигания топлива, обеспечивающей снижение образования оксидов азота (достигается режимно-технологическими и конструктивными мероприятиями);

-очисткой дымовых газов от уже образовавшихся оксидов азота (селективное каталитическое и некаталитическое восстановление NOдоN₂).

Режимно-технологических и конструктивных мероприятия для снижения выбросов оксидов азота получили широкое распространение в нашей стране ввиду простоты реализации и относительно низкой стоимости. Эти мероприятия направлены на снижение максимальной температуры и концентрации кислорода в зоне активного горения. Комплексное сочетание различных режимно-технологических и конструктивных мероприятий в ряде случаев позволяет обеспечить выполнение норм по выбросам оксидов азота.

Очистка газов от оксидов азота может иметь высокую эффективность, но связана с большими капитальными и эксплутационными затратами и ее следует применять в том случае, если не удается обеспечить выполнение норм по выбросам оксидов азота режимно-технологическими и конструктивными мероприятиями.

В настоящее время известно достаточно большое количество режимно-технологических и конструктивных мероприятий, направленных на снижение выбросов оксидов азота. Основные из них следующие:

сжигание топлива с малыми избытками воздуха;

рециркуляция дымовых газов;

стадийное и ступенчатое сжигание и топлива;

ввод влаги в зону горения и сжигание водо-мазутных эмульсий;

применение горелочных устройств с малым выходом оксидов азота;

сжигание твердых топлив с повышенной концентрацией пыли;

применение двусветных экранов и снижение теплонапряжения в топочной камере.

Сжигание топлива с малыми избытками воздуха позволяет снизить как термические, так и топливные оксиды азота, поэтому это мероприятие может быть применено при сжигании любого вида органического топлива. Снижение избытков воздуха возможно лишь до тех пор, пока это не приводит к интенсивному росту продуктов неполного сгорания топлива. Уменьшение ниже определенного критического уровня_крприводит к резкому увеличению химического недожога топлива и возрастанию выбросов бенз(а)пирена. Величина_крзависит от присосов воздуха в топку, равномерности раздачи воздуха и топлива по горелкам, типа горелочных устройств и некоторых других факторов. Величина_кропределяется режимно- наладочными испытаниями котла. Для большинства отечественных котлов предельный коэффициент избытка воздуха в горелках равен 1,10-1,15 при сжигании твердого топлива и 1,0-1,03 при сжигании природного газа и мазута.

Для снижения выбросов оксидов азота при сжигании жидкого и газообразного топлива широкое применение получила рециркуляция дымовых газов в топочную камеру. Рециркуляция дымовых газовэто подача части продуктов сгорания, отбираемых за водяным экономайзером или воздухоподогревателем, обратно в топочную камеру, что обеспечивает снижение температуры факела и выравнивание температурных полей. Это позволяет существенно снизить образование термических оксидов азота. На образование топливных оксидов азота рециркуляция газов воздействует незначительно, поэтому при сжигании твердого топлива ее использование не целесообразно. Эффективность рециркуляции газов сильно зависит от степени рециркуляцииr(%) и от способа ввода газов рециркуляции. На рис. 9.15 и в табл.9.33 приведены данные о влиянии способа ввода и степени рециркуляции газов на снижение концентрации оксидов азота при сжигании природного газа33.

Рис. 9.15. Влияние способа ввода и степени рециркуляции газов на снижение концентрации оксидов азота в дымовых газах котлов.

1- в под топки; 2- через шлицы под горелками; 3- во вторичный воздух; 4- в воздухопровод перед горелками; 5- в топливо.

Таблица 9.33. Оценка эффективности рециркуляции дымовых газов в зависимости от способа ввода газов рециркуляции 33

Место ввода газов рециркуляции

Среднее снижение NO_xв % на 1 % степени рециркуляции

В первичный воздух

В общий канал воздуха

По кольцевому каналу вокруг горелки

В шлицы под грелками

Эффективность этого метода возрастает с увеличением степени рециркуляции газов и при их вводе в зону активного горения. При подаче газов рециркуляции в под топки или выше зоны активного горения подавление оксидов азота практически отсутствует. Увеличение степени рециркуляции дымовых газов приводит к росту затрат на привод тяго-дутьевых машин, сопровождается увеличением образования СО и бенз(а)пирена, а также снижением КПД котла. При полной загрузке дымососов рециркуляции (r=20 –24 %) снижение КПД котла может составить 0,4-0,6 %.

Эффективными методами снижения образования оксидов азота являются ступенчатое и стадийное сжигание топлива, которые представляют собой нетрадиционные способами сжигания топлива с организацией в топочной камере раздельных восстановительной (1) и окислительной (1,2–1,25) зон горения при сохранении традиционных избытков воздуха на выходе из топочной камеры. Генерация оксидов азота в первой зоне тормозится из-за недостатка кислорода, а на последующих из-за относительно низкого уровня температур за счет больших объемов воздуха. Кроме того, образовавшиеся на первой стадии горения продукты неполного сгорания (СО, Н₂, СН₄) создают зону с восстановительной средой, и оксиды азота частично восстанавливаются до молекулярного азота. Этот метод позволяет снизить выбросы как термических, так и топливных оксидов азота.

При стадийном сжигании осуществляется перераспределение подачи воздуха или топлива между ярусами горелок. При ступенчатом сжигании через основные горелки подается топливо с недостатком воздуха (1), а остальная часть воздуха подается далее по факелу через специальные шлицы, сопла или отключенные по топливу горелки верхних ярусов. Подача недостающего воздуха может быть организована как над основными горелками, так иcпротивоположной стены топки навстречу факелу.

Применение ступенчатого и стадийного сжигания и топлива на действующих котлах позволяет существенно снизить выбросы оксидов азота (до 50-60 %), но вместе с тем обычно приводит к увеличению химического и механического недожога топлива, к снижению КПД котла (от практически незначительного до 1 %), увеличению выброса бенз(а)пирена. При проектировании новых котлов эти недостатки могут быть в значительной мере устранены. При сжигании высоко сернистых топлив не рекомендуется длительная эксплуатация котлов в режиме ступенчатого сжигания из-за интенсификации высокотемпературной коррозии экранных труб в зоне с недостатком воздуха (1).

Ввод влаги в зону горения позволяет снизить температуру в факеле, что приводит к подавлению образования термических оксидов азота. Поэтому впрыск влаги используется при сжигании газа и мазута. Для достижения наилучшего результата ввод влаги следует осуществлять в ядро горения (локальный дозированный впрыск). Более эффективным является ввод в зону горения воды, а не пара, так как на ее испарение расходуется дополнительное тепло, что позволяет снизить максимальную температуру в топке в большей степени. Подача воды осуществляется через форсунки, которые обычно устанавливаются в горелочных устройствах. Можно с этой целью использовать паровые каналы в мазутных форсунках.

Ввод влаги в зону горения позволяет также снизить химический недожог топлива, так как при высоких температурах происходит диссоциация паров воды:

Гидроксил ОН доокисляет продукты химического недожога, поэтому топливо можно сжигать при меньших избытках воздуха, что позволяет дополнительно снизить образование оксидов азота и повысить КПД котла. Ввод влаги в зону горения позволяет снизить образование бенз(а)пирена.

С увеличением подачи влаги эффективность подавления оксидов азота увеличивается, но снижается КПД котла, так как увеличивается объемный расход уходящих газов и растет количество теплоты, затраченной на испарение воды. При малом вводе влаги в зону горения отсутствует эффект снижения образования оксидов азота, а при большом — существенно снижается КПД котла. Поэтому целесообразно использовать впрыск влаги, равный 5-15 % от расхода топлива, частично компенсировав снижение КПД котла сжиганием топлива с меньшими избытками воздуха.

Существенного снижения образования оксидов азота можно получить применением специальных горелочных устройств. В настоящее время для различных видов и химического состава топлива разработано большое количество разнообразных горелочных устройств, обеспечивающих пониженный выход оксидов азота. Снижение образования оксидов азота достигается снижением максимальных температур в ядре горения и организацией с помощью горелочных устройств ступенчатого сжигания топлива. Это обеспечивается сжиганием топлива при минимально возможной доле первичного воздуха, торможением подмешивания богатого кислородом вторичного воздуха, интенсификацией тепло-и массообмена между факелом и топочными газами. Перечисленные требования легче реализуются в прямоточных горелках, чем в вихревых. Поэтому применение прямоточных горелок при прочих равных условиях позволяет снизить выбросы оксидов азота по сравнению с вихревыми.

Источник

Подавление образования оксидов азота

Оксиды азота поступают в дымовые газы в результате окисления азота воздуха при высоких температурах, а также азота, содержащегося в топливе\[_<\text>=_<\text>^+_<\text>^\]\(\),

где \(_<\text>^\) и \(_<\text>^\) — концентрации в газах NO, образовавшегося соответственно за счет азота воздуха и азота топлива.

Образование оксида азота из воздуха определяется температурным уровнем в ядре топочной камеры, вследствие чего он получил название «термического». При высоких температурах в топке происходит диссоциация некоторой части молекул кислорода и затем атомарный кислород вступает в реакцию с азотом воздуха, а образовавшийся атомарный азот — в реакцию с молекулой кислорода:

В топочной камере образуется в основном оксид NO, а диоксид NO₂, по которому ведут расчет, получается за счет доокисления оксида в атмосфере. Концентрация оксидов азота в уходящих газах находится в пределах от 0,2 до 1,5 г/м 3 (см. табл.7.1.2).

Частичное подавление образования термических оксидов азота осуществляется организацией топочного процесса при возможно более низкой температуре в зоне горения и малом избытке воздуха.

Наименьшее образование NO при сжигании газа и мазута наблюдается при низких избытках воздуха. Если выход NO при коэффициенте расхода воздуха на выходе из топки \(<\alpha >_<т>^<\text<'>\text<'>>\) > 1,05 принять равным единице, то относительное изменение выхода NO от варьирования \(<\alpha >_<т>^<\text<'>\text<'>>\) иллюстрируется данными, приведенными в табл. 7.6.1.

Таблица 7.6.1. Зависимость относительного выхода NO от коэффициента расхода воздуха на выходе топки \(<\alpha >_<т>^<\text<'>\text<'>>\)

Источник

Физико-химические основы методов подавления образования оксида азота при сжигании топлив

Влияние снижения избытка воздуха на образование оксида азота

Снижение концентрации кислорода в зоне горения воздействует на образование NO двояким образом: с одной стороны, их концентрация падает вследствие меньшего образования топливного NO, с другой стороны, возрастает концентрация термического NO в связи с ростом температуры при снижении значения α.

На рисунке ниже приведены данные, показывающие влияние концентрации О2 в топке на эмиссию NO для котлов с сухим и жидким шлакоудалением при сжигании каменного и бурого углей. Видно, что наибольшее влияние уменьшения концентрации кислорода на снижение NО проявляется при сжигании каменного угля в высокотемпературной топке с жидким шлакоудалением, наименьшее — при сжигании бурого угля в топке с сухим шлакоудалением.

Влияние концентрации кислорода на эмиссию NOx при сжигании углей в топках с жидким к сухим шлакоудалением. 1 — каменный уголь; 1а — каменный уголь, тангенциальное сжигание; 2 — бурый уголь

Эти данные позволяют предположить, что доминирующим фактором, определяющим эффективность рассматриваемой технологии, является снижение выхода топливного оксида азота, как это следует из выражения (4.26). Основным недостатком этого метода при использовании на угольных котлах является увеличение недожога топлива с уменьшением а. В связи с этим в случае сжигания углей при пониженных концентрациях кислорода с целью увеличения скорости сгорания применяют высокоэффективные мельницы тонкого помола.

Зависимость эмиссии NO в % отн. и концентрации несгоревшего топлива в летучей золе при различной тонкости помола каменного угля от а: А — 30/6; В — 20/3.5; С-Е — 12/0,3 и 20/ 3,5 ( увеличивается доля фракции12/ 0,3); F- 12/0,3

Читайте также:  Какими способами уплотняют бетонную смесь

На рисунке выше показана зависимость эмиссии NO в % отношении и концентрации несгоревшего топлива в летучей золе от избытка воздуха а при сжигании угля на блоке мощностью 300 МВт при различной тонкости помола. Последнюю оценивали в процентах фракции, прошедшей через сита с отверстиями 0,09 и 0,2 мм. Например, кривая А относится к тонкости помола 30/6. Это означает, что 30 % угольной пыли задерживается на сите 0,09 мм и 6 % не проходит через сито 0,2 мм. Аналогично оценена тонкость помола для случаев, описываемых кривыми B-F.

Из приведенных данных видно, что при уменьшении α от 1,3 до 1,1 для случая, описываемого кривой А, эмиссия NO уменьшается от 90 до 77 % отн., т.е. примерно на 17 % при одновременном увеличении продуктов недожога на 2 %. Для обеспечения первоначального уровня недожога необходимо изменить тонкость помола. Например, при тонкости помола, соответствующего кривой В, недожог станет меньше при α = 1,1, чем при α = 1,3 при сжигании более крупной(кривая А) фракции.

Снижение образования NO за счет рециркуляции дымового газа

Этот способ является одним из распространенных для уменьшения эмиссии NO. Он основан главным образом на снижении температуры в топке за счет подачи в факел значительного объема дымового газа с температурой 300-400 °С. Уровень подавления NO может быть оценен, если известны температуры до и после включения рециркуляции. Кроме того, при рециркуляции имеет место уменьшение концентрации кислорода в зоне горения, что должно приводить к уменьшению топливного NO.

Типичные данные по влиянию рециркуляции на снижение NO показаны на рисунке:

Влияние количества газов рециркуляции на снижение NOx

Видно, что этот метод снижения выхода NO наиболее эффективен при сжигании топлив, практически не содержащих азота, в первую очередь на газовых котлах. Менее эффективен он при сжигании мазута и каменного угля на котлах с жидким шлакоудалением. При сжигании угля в котлах с сухим шлакоудалением метод малоэффективен. Эти данные можно объяснить тем, что в основном рециркуляция подавляет образование NO по термическому механизму и мало влияет на топливный NO.

Снижение температуры подаваемого в горелки воздуха

Эффективность этого метода подавления NO основана на уменьшении температуры в топке, что оказывает влияние на количество термического оксида азота. Типичные данные такого влияния при сжигании природного газа приведены на рис. 4.8. Видно, что уменьшение температуры воздуха, подаваемого в топку, от 400 до 0 °С позволяет снизить концентрацию NО в дымовом газе от 800-1200 до 100-200 мг/м3.

Влияние температуры дутьевого воздуха на образование NOx при сжигании газа

Использование топлив с низким содержанием азота для снижения выброса NO

Эмиссия N0x часто определяется содержанием в топливе азота и кислорода. Из этого следует, что в ряде случаев одним из возможных способов снижения эмиссии NO является замена используемого топлива на другое с более низким содержанием азота при условии, что температура в зоне горения не будет превышать прежнюю.

Развита оригинальная технология, по которой для снижения выброса NO проводится предварительный прогрев угля при температурах 500— 900 К. Согласно данным стендовых испытаний эмиссия NOx непрерывно уменьшается, а температура в зоне горения, напротив, увеличивается по мере увеличения температуры прогрева угля, вследствие повышения скорости горения коксовых частиц в факеле. В соответствии с этими данными с учетом закономерностей очевидно, что при использовании обсуждаемой технологии следует ожидать уменьшение образования топливного и увеличение термического оксида азота. В конечном итоге уровень снижения выброса NOx будет определяться концентрацией N-содержащих веществ в топливе, температурами прокалки и горения.

В современной промышленности невозможно обойтись без качественных уплотнителей различных форм и размеров. Производство уплотнителей с ваших эскизов доступно по ссылке.

Источник