Способы снижения выбросов nox

Каким образом можно уменьшить количество NOx, образующихся в топках котлов?

В настоящее время хорошо изучены и отработаны три способа образования оксидов азота. 1) Образование термических оксидов азота. Они образуются из азота воздуха, подаваемого в топку для горения, при температуре 1300 градусов Цельсия. 2) Образование оксидов азота из азота, содержащегося в топливе (топливные NO). 3) Образование оксидов азота путём реакции азота воздуха с углеводородными радикалами (быстрые NO).

Термические оксиды образуются при повышении температуры и достаточном времени пребывания продуктов сгорания в зоне их образования. Процесс образования термических NO описывается сложной цепной хим. реакцией, а итоговая реакция имеет вид: O₂ + N₂ -> 2NO. На основании проведённых исследований можно сказать, что основная часть оксидов азота образуется после завершения процесса горения, когда повышение температуры приводит к появлению молекулярного кислорода. Скорость реакции зависит от температуры горения и концентрации избыточного кислорода, азота и оксида азота. Скорость образования термического оксида азота увеличивается с ростом температуры. Она пропорциональна концентрации азота и времени пребывания продуктов горения в зоне образования оксидов азота, а также пропорциональна корню квадратному из концентрации кислорода. Следовательно, режимно-технологические мероприятия, направленные на уменьшение окислов азота, основаны на воздействии на один или несколько факторов в зоне максимального образования окислов азота, а также, создание условий, которые способствовали бы восстановлению образовавшихся окислов азота.

Топливные NOx образуются параллельно с горением топлива . В основном, в зоне горения, за промежуток времени меньший, чем время сгорания топлива. Процесс образования этих окислов происходит при значительно меньшей температуре, которая превышает 1000 градусов. Зависимость выхода топливных NOx от содержания кислорода в зоне горения близка к квадратичной. Количество образующихся топливных NO зависит от содержания азота в топливе.

Быстрые NO образуются в зоне фронта пламени углеводородных топлив в результате быстрых реакций молекулярного азота с углеводородными радикалами, содержащимися в топливе. Реакции образования протекают при температуре примерно 1300 градусов, когда ещё не образовались термические NO. Концентрация быстрых NO растёт с увеличением коэфф. избытка воздуха α и при повышении температуры. При сжигании природного газа эта концентрация может быть 70 – 90 мг/м 3 .

Первичные мероприятия, направленные на уменьшение выбросов оксидов азота (методы подавления образования оксидов азота в топках котлов) направлены на: 1) снижение температуры горения; 2) уменьшение времени пребывания продуктов горения в зоне повышенных температур; 3) создание зон реакции с восстановительной атмосферой (в этих зонах коэффициент α должен быть меньше 1).

Для уменьшения выбросов окислов азота на ТЭС применяют следующие мероприятия: 1) использование горелок с низким выбросом оксидов азота; 2) ступенчатое сжигание топлива; 3) рециркуляция дымовых газов; 4) впрыск воды (водомазутной эмульсии) в ядро факела; 5) комбинация мероприятий. Первичные мероприятия малозатратны и их используют для обеспечения нормируемых выбросов окислов азота.

Горелки с низким выбросом оксидов азота. Существует большое кол-во конструкций таких горелок. В этих горелках организована ступенчатая подача воздуха. В ядро факела подают кол-во воздуха, недостаточное для полного сгорания топлива. Во внешнюю зону горения подаётся избыток воздуха, что позволяет обеспечить полноту сгорания топлива. Кроме того, конструкция горелок даёт возможность обеспечить рециркуляцию воздуха внутри зоны горения. Применение таких горелок позволяет уменьшить выбросы оксидов азота примерно на 50% для угольных котлов и до 60% для газовых/мазутных котлов, причём технико-экономические показатели не ухудшаются.

Ступенчатое сжигание топлива. При ступенчатом сжигании топлива топку котла можно разделить на несколько ярусов или зон. Коэффициент α, подаваемого в топку, также изменяется поярусно. При двухъярусном сжигании нижний ряд горелок работает с недостатком воздуха, а верхний ряд, который называют холостым, подаёт только воздух для дожигания продуктов сгорания. Лучший эффект даёт трёхступенчатое сжигание. В топке по высоте организуют три зоны горения. В первой (нижней) зоне сжигается основное кол-во топлива (70 – 80%) при α

1. При выходе из зоны активного горения подаётся оставшаяся часть топлива и кол-во воздуха, при котором коэфф. α = 0,9…0,95. В этой части топки идёт процесс восстановления NO. Уже образовавшиеся оксиды азота восстанавливаются в результате взаимодействия с продуктами неполного сгорания (угарный газ, водород, углеводороды). Выше этой зоны, в верхней части топки подаётся воздух с коэфф. α>1 для дожигания. Уменьшение выбросов оксидов азота при использовании ступенчатого сжигания до 40% при сжигании угля, 30% — мазута, 40 – 45% — газа. Ступенчатое сжигание приводит к ухудшению технико-экономических показателей: на 4-5°С возрастает температура уходящих газов, КПД уменьшается на 0,2 – 0,5%, увеличивается расход электроэнергии на собственные нужды.

Рециркуляция дымовых газов. Для рециркуляции используют дымовые газы, отводимые из конвективной шахты котла, обычно после водяного экономайзера. Дымовые газы могут подаваться в топку котла вместе с первичным воздухом или в шлицы под горелками. Чтобы улучшить перемешивание дымовых газов с воздухом, поступающим в топку, устанавливают смеситель. Доля газов не превышает 20%. За счёт рециркуляции уменьшается концентрация кислорода в зоне горения и уменьшается температура. Для рециркуляции используют специальный дымосос (вентилятор), что связано с ув-ем расхода электроэнергии на собственные нужды. При сжигании твёрдого топлива возможен абразивный износ вентилятора, т.к. газы подаются неочищенными. Уменьшение выбросов оксидов азота при использовани этого метода до 20% — уголь, 30% — мазут, 33% — газ. Технико-экономические показатели ТЭС при использовании рециркуляции дымовых газов ухудшаются. Растёт расход эл. эн. на собственные нужды, растёт температура уходящих газов, КПД ум-ся на 0,6 – 1,3%.

Впрыск воды (водомазутной эмульсии) в ядро факела снижает температуру факела, следовательно, уменьшает кол-во термических NO. Такой способ применяют, в основном, при неблагоприятных метеоусловиях, где существует высокая концентрация вредных в-в. Кол-во воды составляет примерно 10% от расхода топлива. Использование данного способа примерно на 25% снижает выбросы NO, что одновременно на 0,7% уменьшает КПД котла. Эффективность этого метода уменьшается, если котлы работают с рециркуляцией дымовых газов, поэтому этот метод не нашёл широкого применения. Как показали исследования, в энергетике одним из технических направлений по защите окружающей среды является сжигание мазута в виде водомазутной эмульсии, а также сжигание природного газа с применением впрыска в топку загрязнённых нефтепродуктами сточных вод. Использование последних позволяет не только уменьшить выход оксидов азота, но и обезвредить значительную часть загрязнённых вод. Одновременно происходит утилизация тепла, которым располагают эти сточные воды. При сжигании водомазутной эмульсии снижается температура в зоне горения и содержание NO в дымовых газах на 25 – 44%.

Применение комбинации первичных методов. Чтобы достичь нормативных выбросов NOx, которые образуются в топках котлов, можно использовать комбинации первичных методов. Чаще всего применяют ступенчатое сжигание + рециркуляцию; использование горелок с низким выходом оксидов азота + ступенчатое сжигание + рециркуляция. С помощью первичных методов на отечественных ТЭС уже достигнута концентрация NOx в дымовых газах: на каменном угле 450 – 550 мг/м3; на бурых углях 300 – 350 мг/м3; на природном газе 150 – 200 мг/м3. Это отвечает требованиям экологически безопасных ТЭС. Для котлов на мазуте и твёрдом топливе для получения экологически безопасных выбросов NOx требуется применение вторичных мероприятий.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Источник

Способы снижения выбросов оксидов азота в окружающую среды

Очистка газов от оксидов азота — важная проблема, стоящая перед промышленностью. Один из аспектов экологических мер — регулирование количества газообразных загрязнителей, выбрасываемых в атмосферу.

Почему необходима очистка выбросов от оксидов азота

По разным оценкам, в атмосферу Земли ежегодно выбрасывается от 35 до 58 миллионов тонн оксидов азота. Основной источник выбросов — сжигание топлива в промышленности, теплоэлектростанциях, генераторных установках, домохозяйствах и двигателях внутреннего сгорания различного назначения. Последние вносят значительный вклад в загрязнение окружающей среды оксидами азота, поскольку в промышленно развитых странах их доля составляет 45—60 % от общего объема. Ограничить выбросы можно, используя методы очистки газов от оксидов азота непосредственно у источника их образования.

Оксиды азота повреждают легкие и увеличивают восприимчивость к инфекции верхних дыхательных путей. Вещество способствует возникновению раздражения глаз и расширению кровеносных сосудов, что приводит к снижению кровяного давления.

Для растений это высокотоксичный газ, более высокие концентрации которого приводят к повреждению хлоропластов. Реакции с углеводородами в атмосфере вызывают образование ацетилпероксида, который ингибирует фотосинтез. Реагируя с водой, диоксид азота образует азотную и азотистую кислоты и, таким образом, способствует (наряду с SO₂) образованию так называемых кислотных дождей.

Способы уменьшения количества выбросов оксида азота

В настоящее время проблема загрязняющих газообразных выбросов решается двумя способами:

Снижение концентрации в процессе сжигания

Решение данной задачи связано с обеспечением необходимых параметров процесса сгорания в отношении «время — температура — состав газа». Для обеспечения данных условий применяется топливо высокого качества и тонкая регулировка системы подачи топлива до достижения необходимой концентрации оксидов азота в отработавших газах.

Очистка отходящих газов от оксидов азота. Когда невозможно полностью уменьшить выброс загрязняющих веществ во время сжигания топлива, отходящие газы дополнительно очищаются.

Каталитическая очистка газов от оксидов азота

• Каталитическая очистка дымовых газов от оксидов азота.

Эффективность этой группы методов высока, поскольку некоторые из них позволяют снизить выброс в атмосферу на 90 % и более. Среди них наибольшее внимание уделяется селективному каталитическому восстановлению (СКВ, SCR). Этот способ был введен в начале семидесятых в Японии и до сих пор успешно используется в США и Германии. Он заключается в восстановлении оксидов азота аммиаком при 150—450 °C в присутствии катализатора. Процесс называется селективным, поскольку аммиак обладает более высокой реакционной способностью по отношению к оксидам азота, чем к кислороду.

В объеме отработанных газов доля монооксида азота составляет 90—95 % от суммарной концентрации оксидов азота, поэтому основная реакция

Диоксид азота, на долю которого приходится 5—10 %, реагирует по уравнению

Небольшие количества кислорода, содержащиеся в отходящих газах, ускоряют селективное каталитическое восстановление оксидов азота, но более высокое содержание O₂ оказывает неблагоприятное воздействие, снижая скорость процесса SCR.

Катализаторы SCR представляют собой оксиды переходных металлов, например ванадия, титана, молибдена. Ванадий-титановый катализатор отличает высокая активность при низких температурах. Срок службы составляет около 3 лет на угольных электростанциях и 5—7 лет на установках, работающих на нефтяном и газовом топливе.

Рисунок 1. Принципиальная схема системы SCR

1. Панель управления, 2. Двигатель внутреннего сгорания когенерационной установки, 3. Датчик оборотов двигателя, 4. Датчики NOx, 5. Датчик температуры (термопара), 6. Инжектор реагента, 7. Датчик давления, 8. Смеситель, 9. Насос для реагента, 10. Емкость с реагентом, 11. Катализатор гидролиза, 12. Катализатор SCR, 13. Катализатор для удаления аммиака.

Также в ряде случаев применяют неселективную каталитическую очистку газов от оксидов аммиака. В качестве реагентов восстановителей используют такие химические вещества: водород, метан и другие углеводороды.

Решения от «ЭКОЭНЕРГОТЕХ»

Компания «ЭКОЭНЕРГОТЕХ» — лидер в поставках установок для очистки от оксидов азота в России. Предприятие разрабатывает и производит высокоэффективные системы для очистки дымовых газов от оксидов азота с учетом потребностей клиентов. К основным преимуществам создаваемой продукции относят:

• высокую эффективность и производительность;
• длительный срок службы установок;
• надежность, доказанную за многие годы эксплуатации;
• инновационные решения;
• конкурентоспособные цены от отечественного производителя.

Менеджеры компании проконсультируют по вопросам подбора оборудования. В установленные договором сроки организация осуществит поставки комплексных систем для очистки отработавших газов от различных источников, включая проектирование, ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание.

Другие статьи

Причины изменения климата

Современное человечество все больше волнует вопрос глобального изменения климата на Земле. Изменение климата по-прежнему является актуальной темой для обсуждения в научной среде и повседневной жизни, важным фактором в экономике и политике, о чем свидетель

Источник

Современные проблемы внедрения и совершенствования технологий снижения выбросов NOx котельными установками

В большинстве развитых стран основным загрязнителем воздуха техногенными оксидами азота является транспорт.

Опыт США и Японии показал, что совершенствование автомобильных двигателей и использование каталитических нейт рализаторов позволяет уменьшить долю выбросов NOx транспортом до 45- 50 %.

В Германии долю теплоэнергетики в валовом выбросе NOx в период с 1988 по 1995 гг. удалось снизить на 68 % за счет внедрения топочных мероприятий и использованы в азотоочистных установок на ТЭС. В итоге доля ТЭС в общем объеме выбросов NOx упала с 24,6 до 11,5 %.

Современные методы снижения выбросов NO, за счет совершенствования автомобильных двигателей и использования каталитических нейтрализаторов достаточно подробно представлены в монографии.

Современные способы снижения выброса NOx, применяемые на ТЭС, включают:

• специальные технологии сжигания, основанные на снижении температуры в топке и ступенчатой подаче воздуха и топлива, а также сжигании топлива в кипящем слое и др.;
• технологии химической очистки дымовых газов.

Ниже приведено сопоставление этих технологий с учетом выявленных в процессе эксплуатации преимуществ и недостатков.

Качественные и надёжные газовые обогреватели смотреть тут.

Топочные технологии подавления оксидов азота имеют низкие эксплуатационные затраты по сравнению с химическими способами очистки, но уступают им в эффективности.

Согласно экспертным оценкам специалистов VGB, основанных на результатах стендовых исследовании, сегодня с учетом современных знаний о закономерностях образования оксидов азота в топке можно спроектировать новый котел с выбросами NOx при сжигании газа 10-50, жидкого

Технология

Ограничения, определяющие эффективность технологий Эффективность подавления NOx, %

Пониженный избыток воздуха

• шлакование и коррозия

не более 10%

шлакование и коррозия,

недожог топлива

10-40% в зависимости от типа котла и топлива

Трехступенчатое сжигание

• недожог топлива

перепад давления

не более 20%

недожог топлива

Малотоксичная горелка и рециркуляция дымового газа

применяется только для газовых и мазутных котлов

до 30 % (тяжелый мазут)

до 40 % (газойль) до 60 % (газ)

Малотоксичная горелка со ступенчатой подачей топлива и воздуха

недожог топлива

Наименее эффективным является метод подавления NOx, основанный на снижении избытка воздуха в топке (снижение NOx менее, чем на 10 %), поскольку при низком содержании O2 появляется опасность шлакования и коррозии в топке.

При двухступенчатом сжигании топлива наряду со шлакованием и коррозией приходится принимать во внимание возможность неполного сгорание топлива. Вместе с тем эта технология позволяет обеспечить подавление NOx в зависимости от конструктивных особенностей котли и типа используемого топлива на 10-40 %. При реализации трехступенчатого сжигания трудно избежать недожога твердого топлива, и поэтому, по мнению немецких коллег, эффективность снижения NOx в этом случае не должна превышать 20 %.

Нестабильность пламени горелок и больший перепад давлений не позволяет по технико-экономическим соображениям рекомендовать применение рециркуляции дымового газа с эффективностью подавления NOx более, чем 20 %.

Основной недостаток малотоксичных горелок со ступенчатой подачей воздуха — нестабильность пламени и неполное сгорания топлива. Поэтому при их использовании обычно рассчитывают на эффективность снижения NOx 20 -30 %. Применение таких горелок в сочетании с рециркуляцией дымовых газов рекомендуется лишь при сжигании газа и мазута.

Нестабильность факела и неполное сгорание топлива являются основным недостатками малотоксичных горелок со ступенчатым подачей топлива и воздуха. Тем не менее на сегодня их применение наиболее оптимально. Они обеспечивают подавление NOx на 40 % при сжигании всех видов топлив.

Некоторые конструктивные отличия котлов и свойств используемых топлив в России не позволяют в полной мере принять оценки, приведенные в таблице выше. Особенно, если учесть, что в России на большом числе котлов, спроектированных для сжигания твердого топлива, используется природный газ.

Технологии химической очистки дымовых газов. Всего известно порядка 18 технологий денитрификации дымовых газов. Большинство из них опробованы на стендовых установках и в условиях ТЭС. Однако практическое применение нашли лишь две: СНКВ и СКВ.

Обе эти технологии обычно реализуются при использовании в качестве реагентов сжиженного аммиака или аммиачной воды. Иногда применяется раствор мочевины. В принципе, могут быть применены циаиуровая кислота, меламин, уротропин и другие производные аммиака. Однако в этом случае перед раздачей реагента в каталитический реактор предусматривается специальный конвертор, обеспечивающий их гидролиз или термолиз до аммиака. При СНКВ-процессе эти соединения могут непосредственно впрыскиваться в котел, в котором и происходит их превращение в аммиак. Токсичность аммиака и высокая стоимость его производных является основным недостатком этих технологий. Однако вплоть до настоящего времени других реактантов, способных селективно и с высокой эффективностью восстанавливать оксиды азота в присутствии значительных ь отчеств О2, подобрать не удалось.

Теоретически в лабораторных условиях при СКВ- и СНКВ-процессах при избытке аммиаки можно достичь эффективности очистки 90-100 %. Однако проскок непрореагировавшего аммиака нормируется. В связи с этим дозируемое его количество стараются поддерживать на минимальном уровне, что понижает эффективность очистки.

При СКВ-технологии денитрификация протекает в специальном аппарате, что позволяет обеспечить необходимую температуру и однородность по температуре и концентрации N0x по всему сечению каталитического реактора. За счет применения большого числа сопл (до 40 на м2 сечения) с индивидуальной настройкой, сгруппированных в отдельные поля, удается поддерживать необходимое соотношение NH3/NOx по сечению реактора с отклонением от среднего значения не более чем 6 15 %, что достаточно для обеспечения эффективности очистки на уровне 80-90 % независимо от начальной концентрации NOx, типа используемого топ пива и конструктивных особенностей котла при минимальном расходе аммиака (1 моль NH3 приводит к нейтрализации 1 моля NOx).

В настоящее время на ТЭС эксплуатируется свыше 400 СКВ-установок: в Японии, ФРГ, Австрии, Дании, США, Швеции, России и др. развитых странах. Производство катализаторов сосредоточено в Японии, Германии, Австрии, Дании и США. Хотя метод был разработан в конце 70-х годов, вплоть до настоящее времени продолжается сооружение подобных установок в США и Западной Европе. В последние годы проявляется дополнительный интерес к этой технологии, поскольку в условиях СКВ-процесса имеет место нейтрализация диоксинов и фуранов.

Процесс СНКВ с использованием аммиачной воды, мочевины и в некоторых случаях сжиженного аммиака применяется в основном на котлах малой и средней мощности. Его эффективновсть полностью определяется конструкцией котла, а именно протяженностью зоны с температурой 1220-1370 К. Это объясняется трудностью оптимальной раздачи аммиака по сечению реакционного пространства с учетом локальных температур, концентрации NOx, линейных скоростей дымовых газов.

В странах Европы имеется около 20 таких установок, значительное их число в США. Эффективность очистки на них, как правило, не превышает 50 %, хотя имеются случаи когда эффективность достигает 80 -90 %. Поэтому с помощью СНКВ не все гда удается обеспечить необходимый уровень выброса NOx.

Значительные капитальные и эксплуатационные затраты при реализации высокоэффективного процесса СКВ, недостаточная степень СНКВ-очистки для значительной группы котлов и применение в качестве нейтрализующего реагента токсичного аммиака обосновывают значительный объем ведущихся вплоть до настоящего времени исследований в области разработки новых методов очистки дымовых газов.

Источник