Способы снижения выбросов оксида азота

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

Методы снижения концентрации оксидов азота

Существуют два принципиально разных направления снижения выбросов токсичных газообразных веществ, в том числе оксидов азота:

• пассивный способ – очистка дымовых газов в специальных установках, смонтированных за котлом на участке между последней тепловоспринимающей поверхностью и дымовой трубой;

• активный способ – подавление процесса образования NО_х на начальном этапе их формирования.

Сравнительная оценка эффективности и экономичности двух подходов к решению данной проблемы однозначно указывает на целесообразность выбора активного способа снижения NО_х. При этом, вместо дорогостоящих и энергозатратных мероприятий по очистке дымовых газов, создаются условия, неблагоприятные, с точки зрения образования оксидов азота, и в то же время благоприятные, с позиции процесса воспламенения и горения топлива.

Очевидно, что основными параметрами, оказывающими первостепенное влияние на скорость и интенсивность образования NО_х, являются температура и содержание кислорода на начальном участке формирования факела, т.е. в окологорелочной области.

Изучение механизма образования NO_х показало, что при образовании топливныхоксидов важнейшим фактором является концентрация кислорода в зоне сгорания летучих, а температура процесса играет второстепенную роль. Для термических оксидов азота, образующихся по механизму Зельдовича, наблюдается иная картина: температурный уровень является основным показателем интенсивности образования NO_x, хотя и концентрация кислорода имеет также немаловажное значение.

Это обстоятельство предопределило главные направления борьбы с выбросами оксидов азота для котлов, работающих на разных видах топлива. При сжигании природного газа, не содержащего связанного азота, для снижения выбросов оксидов азота, необходимы мероприятия, которые бы снижали образование термических оксидов азота. При сжигании мазута в высокофорсированных топочных устройствах и при сжигании высококачественного угля в топках с жидким шлакоудалением, когда максимальные температуры в топке достигают 1650÷1750 °С, снижение температуры в ядре горения также имеет важное значение, хотя не является столь же эффективной мерой снижения выбросов NO_х.

В настоящее время разработано большое количество технических решений, обеспечивающих снижение концентрации оксидов азота. Основные методы представлены на схеме (рис.39).

Рис. 39. Методы снижения выбросов оксидов азота

Рециркуляция газов приводит к снижению температуры, а, следовательно, и концентрации оксидов азота в дымовых газах. При сжигании газа, когда отсутствуют слабо зависящие от температуры топливные оксиды азота, эффективность рециркуляции газов весьма велика. Место ввода газов рециркуляции (в шлицы между горелками, в канал вторичного воздуха, под горелки и пр.) определяется избирательно в каждом конкретном случае. Ограниченность применения этого метода объясняется тем, что рециркуляция дымовых газов снижает экономические показатели (возрастают потери с уходящими газами и расход электроэнергии на собственные нужды). Также возникают дополнительные сложности в связи с необходимостью установки дымососа рециркуляции и коробов для подачи дымовых газов к горелкам.

Снижение максимума температур посредством впрыска влаги или уменьшения температуры подогрева воздуха может ухудшить стабильность воспламенения и эффективность сгорания угольной пыли.

Простейшим методом уменьшения содержания кислорода в факеле является снижение избытка воздуха в горелках. При этом сокращаются потеря теплоты с уходящими газами и расход электроэнергии на собственные нужды. Ограниченность применения этого метода объясняется тем, что при достижении некоторого критического значения α_г, которое зависит от вида топлива, способа сжигания, конструкции топки и горелки, образуются продукты химического недожога, а иногда и канцерогенного бенз(а)пирена С₂₀Н₁₂.

Пылеугольным котлам характерна компоновка топки с большим количеством горелок, расположенных, как правило, в несколько ярусов. В результате, горелки и камера сгорания (топка) оказывают взаимное воздействие друг на друга. При многоярусном размещении горелок эффективным средством снижения выбросов оксидов азота может оказаться нестехиометрическое сжигание(рис.40).

Рис. 40. Нестехиометрическое сжигание

а – воздушный разбаланс; б – топливный разбаланс;

в – комбинированный разбаланс

Нестехиометрическое сжигание организуется за счет топливно-воздушного разбалансапо горелкам или ярусам горелок: прикрытия индивидуальных воздушных шиберов (воздушный разбаланс – рис.40а) или топливных клапанов (топливный разбаланс – рис.40б) перед отдельными горелками. При этом в обоих случаях догорание топлива происходит при традиционных избытках воздуха после смешения продуктов сгорания из окислительной и восстановительной зон. Возможен также комбинированный разбаланс (рис.40в).

Разновидностью нестехиометрического сжигания является метод ступенчатого сжигания, когда через основные горелки подается только часть воздуха, а остальной необходимый для полного сгорания топлива воздух подается далее по высоте факела через специальные сопла.

На рис.41 представлена схема двухступенчатого сжигания.

Рис. 41. Двухступенчатое сжигание топлива

В котлах с многоярусным расположением горелок в качестве сопел третичного дутья могут быть использованы горелки верхнего яруса (в том случае, если остальные горелки позволяют нести номинальную нагрузку). При этом на начальном участке факела воспламенение и горение летучих происходят при пониженной концентрации кислорода, в результате чего подавляются как топливные, так и термические оксиды азота. На второй ступени подавляются термические оксиды.

Такой ступенчатый подвод окислителя приводит к значительному снижению эмиссии NO_x. Одновременно, благодаря такому ступенчатому подводу воздуха, оксид углерода, образовавшийся в области нестехиометрического горения, окисляется до диоксида, тем самым снижая потери с химическим недожогом. Для снижения эмиссии оксидов азота оптимальный коэффициент избытка воздуха в зоне активного горения должен поддерживаться на минимально возможном уровне с тем, чтобы не благоприятствовать окислению топливного азота. Снижение коэффициента избытка воздуха не должно, однако, приводить к излишнему росту концентрации оксида углерода и других продуктов химического недожога в дымовых газах.

Дальнейшим развитием метода ступенчатого сжигания является трёхступенчатое сжигание (рис.42):

Рис. 42. Трехступенчатое сжигание топлива

1 ступень – сжигание при избытках воздуха, близких к единице, при этом подавляются термические и топливные оксиды азота;

2 ступень – сжигание при избытках воздуха меньше единицы, при этом происходит восстановление оксидов азота, образовавшихся в 1 ступени, до атомарного азота;

3 ступень – зона догорания при избытках воздуха, равных избыткам воздуха на выходе из топки при традиционном сжигании.

Источник

IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2017

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО СОКРАЩЕНИЮ ВЫБРОСА ОКСИДОВ АЗОТА В АТМОСФЕРУ ОТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

В отличие от выбросов твердых частиц и оксидов серы, которые зависят от химического состава угля, оксиды азота образуются в процессе сжигания и напрямую не связаны с составом сжигаемого топлива.

Содержание оксидов азота в отходящих от котлов газов зависит от конструкции топки, длины, температуры и интенсивности факела, качества топлива (содержания в нем азота, теплотворной способности), избыточной подачи воздуха на процесс горения, времени нахождения газообразных продуктов сгорания в зоне высоких температур и местных температурных пиков. Наиболее интенсивное образование оксидов азота в процессе горения происходит в зоне высоких температур от 1600 до 1900 0 С в результате окисления азота в воздухе.

Для сокращения выбросов .оксидов .азота применяются технологии управления горением технологии химической очистки дымовых газов. Методы химической очистки дымовых газов от оксидов азота разделяются на следующие группы: окислительные, восстановительные и сорбционные [2]. На предприятиях теплоэнергетики имеется опыт использования методов селективного каталитического и некаталитического восстановления оксидов азота аммиаком. Эти методы являются высокоэффективными (степень очистки от оксидов азота 50…90 %). Однако очистка газов от оксидов азота химическими методами требует значительных капитальных затрат, ведет к увеличению эксплуатационных расходов предприятий теплоэнергетики на 15. 25 %, поэтому они не получили широкого распространения в мировой практике.

Наиболее целесообразным является внедрение технологий подавления оксидов азота на стадии сжигания топлива. В мировой практике нашли применение следующие методы при сжигании топлива [3, 4]: уменьшение нагрузки котлоагрегата, оптимизация конструкции горелочного устройства, ступенчатое сжигание топлива, дожигание топлива, рециркуляция отходящих газов, технология кипящего слоя, впрыск воды или пара в топку котла, подача к горелкам пыли высокой концентрации.

При пониженной нагрузке котлоагрегата уменьшается теплоотдача на единицу объема или площади, в результате чего снижается температура пламени и количество образующихся термических оксидов. Уменьшаются также скорости смешения топлива и воздуха, и это может привести к понижению выделения оксидов азота из связанного в топливе азота. Однако при этом снижается производительность котла на 50 %, по существу, вдвое повышаются капитальные затраты на производство тепла.

Организация ступенчатого сжигания позволяет снизить температуру сгорания и образование восстановительной среды, в которой подавляются вредные оксиды. На первой стадии процесса сжигания топлива объем воздуха поддерживается на уровне меньшем, чем стехиометрический объем. На последующих стадиях процесса добавляется дополнительный воздух. При этом выбросы оксидов азота снижаются примерно на 15…30 %.

Известно, что образование оксида азота подавляется введением в зону конца пламени частиц углеводородов [5]. На самом деле имеет место не подавление образования оксидов азота, а их восстановления в присутствии метана. В топке котла устанавливаются дополнительные горелки, в которые подается часть топлива с недостатком воздуха и создается зона с восстановительной средой. Еще выше располагают сопла для ввода третичного воздуха, необходимого для завершения сгорания. Опыт показывает, что в промышленных установках за счет ввода дожигающего топлива возможно снизить концентрацию оксида азота в дымовых газах до 120…210 мг/м 3 (н.у.) в зависимости от вида угля. Этот метод активно исследовался энергетиками Японии, Германии и США.

Выравнивание распределения температур и исключение высокотемпературных зон в топке также достигается рециркуляцией дымовых газов [6]. Так как в горелки подается частично разреженный воздух, концентрация кислорода у основания пламени понижена, поэтому понижена и температура всего пламени. Это оказывает существенное влияние на образование термических оксидов, но мало воздействует на топливные. Поэтому рециркуляция дымовых газов дает лучшие результаты применительно к топливу с низким содержанием азота, чем с высоким.

При сжигании топлива в кипящем слое температура в топке относительно невысока и составляет 800…1000 0 С, что уменьшает образование термических оксидов азота. Содержание оксидов азота в дымовых газах составляет 100…200 мг/м 3 .

Подача воды в камеру сгорания топлива [7] позволяет значительно снизить выброс оксидов азота. Способ отличается простотой, легкостью регулирования и низкими капитальными затратами. На газомазутных котлах он позволяет снизить выбросы оксидов азота на 20…30 %, но требует дополнительных затрат теплоты на парообразование и вызывает увеличение потерь с уходящими газами. При сжигании угля достигнутые в настоящее время результаты не столь значительны. За рубежом впрыск пара или воды для снижения образования NO_x практически не применяется.

Подача к горелкам пыли высокой концентрации (10…30 кг пыли на один килограмм воздуха) по трубопроводам малого диаметра снижает выбросы оксидов азота на 20…30 % при одновременном упрощении схемы и конструкции пылепроводов. Использование пыли высокой концентрации успешно осуществлено на Усть-Каменогорской ТЭЦ, Согринской ТЭЦ и Риддер ТЭЦ.

Перспективным способом снижения выбросов оксида азота является совершенствование конструкции горелочного устройства, например, применение вихревых горелок с двумя каналами по вторичному воздуху. За счет замедленного подмешивания вторичного воздуха к аэросмеси при сжигании экибастузского угля концентрация оксидов азота снижена с 800 до 600 мг/м 3 [4].

Экологическая целесообразность реконструкции горелочных устройств подтверждается расчетом концентрации оксидов азота в приземном слое атмосферы, обусловленной выбросами от котлоагрегата БКЗ-160-100Ф ст. № 1 (таблица 1 и 2). После реконструкции горелок ожидается снижение выбросов оксидов азота в атмосферу при сжигании угля в одном котлоагрегате с 369,76 до 295,81 т/год.

Таблица 1 — Данные по максимальным выбросам оксидов азота

Максимальная концентрация NO_x при а=1,4 , мг/м 3 (н.у.)

Источник