3. Образование оксидов азота в факеле вихревой горелки

Особенностью вихревого факела является наличие приосевой зоны рециркуляции газов, обеспечивающих прогрев и воспламенение выхо­дящей из горелки струи аэросмеси, в то время как горячие газы, под-

сасываемые на начальном участке по периферии горелочной струи, прогревают только вторичный воздух. Интенсивность приосевой ре­циркуляции газов к корню факела определяется степенью раскрытия факела. Поэтому для высокореакционных каменных углей с выходом летучих 30—40% часто применяют прямоточно-вихревые горелки, в ко­торых раскрытие факела создается за счет закрутки только вторичного воздуха, а при сжигании низкореакционных углей (тощих и AUI) закру­чивается, как правило, не только вторичный воздух, но и аэросмесь.

При раннем воспламенении аэросмеси в факеле вихревой горелки можно обнаружить продукты неполного сгорания (СО, а иногда и Н₂), которые догорают до СО₂ и Н₂ О в конце факела (при достаточном об­щем избытке воздуха в топке).

Подробное исследование образования оксидов азота в факеле вихре­вой горелки было проведено сотрудниками ВТИ им. Дзержинского [41 ] при сжигании донецкого AI11 на котле ТПП-110 (с жидким шлакоудале- пием). Полуоткрытая топочная камера этого котла была оборудована 12 вихревыми горелками, установленными встречно, в два яруса по высоте. Отбор проб газа из поперечных сечений факела на расстоянии 1230, 2150 и 2980 мм от выходного сечения горелки позволил опреде­лить поля концентраций RO₂, О₂, СО и N0*. Измерялись также поля температур. Интегрирование этих параметров по сечению факела (с уче­том наличия обратных токов, установленных по измерениям скоро­стей) позволило получить кривые изменения среднемассовых темпера­туры, концентрации кислорода и оксидов азота (в пересчете на NO₂) по ходу факела. На рис. 2.16 приведены результаты одного из опытов в функции времени. Кроме экспериментальных результатов, на рисун­ке приведены значения концентрации термических оксидов азота, рассчи­танные по уравнению Я. Б. Зельдовича без учета реакции разложения NO.

Кривые на рис. 2.16 показывают, что основная масса оксидов азота при сжигании твердого топлива образуется на начальном участке факела (до 2,5 м или двух калибров от выходного сечения горелки). На рас­стоянии 3 м от горелки концентрация оксидов азота уже достигала при­мерно 80% уровня NO_X в дымовых газах за пароперегревателем. Мак­симальная скорость образования NO_X соответствует сечению, в котором температура факела еще не достигла максимального значения, а средняя по сечению факела концентрация кислорода равна 10—12%. На последую­щем участке факела концентрация оксидов азота изменялась незначи­тельно, несмотря на высокие температуры и наличие кислорода.

Опыты показали, что измеренные концентрации оксидов азота во много раз превышают рассчитанные по механизму Зельдовича, но они значительно меньше тех, которые получились бы, если бы весь азот топлива перешел в оксиды азота. Таким образом, исследование образо­вания NO_X в пылеугольном факеле вихревой горелки, как и в случае прямоточной горелки, подтвердило основные закономерности образо­вания топливных оксидов азота, установленные в лабораторных усло­виях. Однако дальнейшие исследования позволили найти и некоторые отличия, связанные с процессом смешения потоков аэросмеси и вто­ричного воздуха. Специально этот вопрос был исследован на огневом факельном стенде Казахского научно-исследовательского института энергетики. Подробное описание стенда имеется в ряде статей и моно­графий [42], поэтому ограничимся здесь только краткой информацией: вертикальная топочная камера высотой 7,5 м и диаметром в свету 1600 мм выполнена в виде кессонов, охлаждаемых водой. В верхней части (с торца) установлена вихревая горелка, ось которой выставлена по центру топки. Верхняя часть топки на высоте 3000 мм футерована шамотным кирпичом.

Опыты, в которых исследовалось влияние распределения воздуха на первичный и вторичный, проводились с моделью горелки котла П-57, выполненной в масштабе 1:5. Конструкция модели горелки при­ведена на рис. 2.17.

В опытах сжигался экибастузский уголь с зольностью 48,1%, тепло­той сгорания 14,3 МДж/кг и содержанием азота в аналитической пробе 0,6%. Фракционный состав пыли при проведении опытов оставался по­стоянным (/?2оо ~ 0,7%, А_1Оо ~ 12,5%). Всего было проведено две се­рии опытов, отличающихся расходом топлива (170 и 260 кг/ч). Во всех опытах каждой серии поддерживался почти постоянный расход общего воздуха, однако распределение этого воздуха на первичный и вторичный менялось от опыта к опыту. Поскольку сечения горелки оставались неизменными, менялись также скорости в выходных сече­ниях горелок и разность скоростей (vv₂ - Wj). Почти постоянными оста­вались температуры аэросмеси и вторичного воздуха. Изменение соот­ношения между двумя потоками воздуха приводило к некоторому изменению результирующего параметра крутки сложной струи горелки.

л Рис. 2.17. Модель горелки котла П-57 Э” '*

.1)

м<-;

..ч

Первая серия состояла из семи опытов, в которых коэффициент по­дачи первичного воздуха менялся от 0,24 до 0,8. Во второй серии было проведено шесть опытов приблизительно в том же диапазоне измене­ния Я]. Во всех опытах в нескольких поперечных сечениях по ходу фа­кела измерялась температура, а на выходе из камеры горения отбира­лись представительные пробы пыли и газов для определения содержа­ния горючих, концентрации RO₂, О₂ и NO_X.

Основные результаты опытов приведены на рис. 2.18. Как видно из графика, в обеих сериях опытов был получен минимум концентра­ции NO_X, значительно (в 2 раза) отличающийся от концентраций NO_X, зафиксированных при минимальном и максимальном значениях прове­ренных dj.

Правая часть полученных кривых согласуется с результатами про­мышленных исследований и может быть объяснена следующим обра­зом. Снижение количества первичного воздуха, во-первых, ускоряет прогрев и воспламенение аэросмеси (при сохранении количества под­водимой теплоты с горячими газами приосевой рециркуляции), в ре­зультате чего превращения азотсодержащих соединений топлива про-

Рис. 2.18. Зависимость концентрации оксидов азота в продуктах сгорания от коэф­фициента подачи первичного воздуха:

О - серия опытов с расходом топлива 170 кг/ч; □ - то же с В = 260 кг/ч

исходят раньше, чем вторичный воздух успеет подметаться к аэро­смеси, т. е. при низких избытках воздуха. Во-вторых, снижение сте­хиометрического соотношения в подаваемой аэросмеси приводит к быстрому уменьшению концентрации кислорода при выгорании ле­тучих.

Это подтверждается результатами расчетных исследований топочных процессов в котле П-57, работающем на экибастузском угле, выпол­ненных Ю. Ф. Куваевым [37]. При расчете концентрации кислорода на ; начальном участке факела оказалось, что в потоке с максимальной концентрацией угольной пыли уже на расстоянии 0,5 м от устья горел­ки концентрация О₂ снижается до 3%, если коэффициент подачи первич- ; ного воздуха составляет 0,2. Если же Д1 увеличить до 0,55 (сохранив при этом скорость и>₍ за счет изменения выходных сечений горелки по первичному и вторичному воздуху), то концентрация кислорода в том же сечении факела будет 8—12%, в зависимости от принятой ин­тенсивности турбулентности потока. Понятно, что во втором случае образование оксидов азота будет значительно выше.

Возможно, на результатах стендовых исследований сказалось, кро­ме того, увеличение результирующего параметра крутки горелки при снижении расхода первичного воздуха, что привело к усилению под­соса горячих продуктов сгорания в зоне приосевой рециркуляции. Во всяком случае, благодаря интенсификации воспламенения и горе-

Поля температур в поперечном сечении факела при a_t = 0,8 (7) и й] =

Рис. 2.1 = 0,48 (j

ния, как показано (рис. 2.19), температура в приосевой зоне на рас­стоянии х/£)_а = 0,2 значительно увеличивается при переходе от а_х = 0,8 к а, =0,48.

Левая половина кривых, приведенных на рис. 2.18, на первый взгляд представляется неожиданной, так как перечисленные выше факторы, казалось бы, должны привести к дальнейшему уменьшению концентра­ции NO_X по мере снижения количества первичного воздуха. Однако тем­пературные поля, измеренные в’опытах при а_х = 0,12-^0,24, показали, что средние температуры в сечениях х/£)_а =0,97 и 1,39 снизились, а зона Достижения максимальной температуры отодвинулась дальше от выход­ного сечения горелки по сравнению с опытом при = 0,48, т. е. имело место затягивание воспламенения.

Возможно, это связано с интенсификацией перемешивания вторич- ^л ного воздуха с аэросмесью после перехода через значение а, = 0,48. ^я Дело в том, что в диапазоне 0,80 > Я| > 0,48 уменьшение коэффициен­та подачи первичного воздуха сопровождалось снижением абсолютной * Разности скоростей Iwj-wJ, которая определяет, как известно, ин-

тенсивность смесеобразования спутных потоков. По мере снижения ct] от 0,48 до 0,12 разность — ил, наоборот, увеличилась с 2—3 до 9- 18 м/с. Вероятно, интенсивное подмешивание вторичного воздуха к струе аэросмеси до ее воспламенения привело к повышению концен- трации кислорода и как результат — к росту концентрации оксидов азота.

Таким образом, оптимальное значение коэффициента подачи пер. вичного воздуха, при котором образуется минимальное количество топливных NO_X, в каждом конкретном случае будет зависеть и от раз­ности между скоростями аэросмеси и примыкающего к нему потока вторичного воздуха.

Примечательно, что после снятия раструба концентрация оксидов азота в дымовых газах при оптимальном коэффициенте подачи пер­вичного воздуха увеличилась примерно в 2 раза. Одновременно резко снизилась температура газа в зоне приосевой рециркуляции. Это еще раз подтверждает, что раннее воспламенение, когда вторичный воздух еще не успел подмешаться к аэросмеси, способствует снижению образо­вания топливных NO_X.

Оценивая полученные результаты, необходимо учитывать, что опыты} проводились на модели, в 5 раз меньшей натурной горелки. В сочетании с высокими выходными скоростями (примерно равными скоростям в натурной горелке) уменьшение геометрических размеров привело! к значительному сокращению времени пребывания частиц угольной пыли .в различных аэродинамических и температурных зонах факела) Это обстоятельство, безусловно, приведет к смещению оптимального значения коэффициента подачи первичного воздуха при переходе от стендовых исследований к натурной горелке крупного котла.

При исследовании механизма образования топливных оксидов азота [4] было установлено, что изменение гранулометрического состава пыли при сжигании в потоке перемешанной пылевоздушной смеси не влияет на количество образующихся оксидов азота. Однако посколь­ку от гранулометрического состава пыли зависит интенсивность про­грева частиц топлива и выхода летучих, в диффузиотшом факеле изме­нение тонкости пыли может привести к перемещению зоны выхода летучих в область большего или меньшего смешения аэросмеси с вто­ричным воздухом и вследствие этого повлиять на образование оксидов азота.

Этот вопрос был подробно исследован на огневом факельном стенде КазНИИЭ с моделью горелки котла П-57 при сжигании экибастузского угля.

Все четыре опыта, отличавшихся гранулометрическим составом пыли (табл. 2.1), были проведены при постоянных расходах топлива (175 кг/ч) и воздуха (1265 кг/ч). Измерение профилей температуры в поперечных сечениях факела показало, что увеличение доли крупных фракций снижает температуру газов в приосевой зоне, в результате 46

На основании опытов с ного воздуха, приведенных

опыта	Размер частиц пыли, мкм										Л63
	>400	315-400 200-316		160-200	1 00-200 63-100			< 63
1	0,0	0,2	0,4	0,8	9,2	28,0	61,0		39,0
2	0,2	0,2	0,8	1,2	11,6	23,6	62,0		38,0
3	0,0	0,2	1,8	4,0	18,6	23,8	51,0		49,0
4	0,0	0,4	3,0	5,0	19,6	23,0	48,4		51,6

Таблица 2.1. Г ранулометрический состав четырех партий пыли экибастузского угля

Рис. 220. Зависимость концентрации N0_x от фракционного состава угольной пыли

чего сечение, где температура достигает максимума, отодвигается от среза горел­ки (от x/D_a = 1,3 при Лбз ~ 39,0% до x/Z)_a = 2,4 при R₆ э = 51,6%).

изменением коэффициента подачи первич- выше, можно было ожидать, что удаление

зоны максимальных температур от среза горелки приведет к увеличе­нию концентрации оксидов азота. Однако экспериментальные исследо­вания дали иной результат: на рис. 2.20 видно, что при сжигании топлива с повышенным содержанием грубой пыли (А₆₃ >49%, /?₁₀₀ > 24%) концентрация NO_X примерно на 15% ниже, чем в опытах на тонкой пыли (R₆ з < 39%, R1 о о < 14%).

Большинство промышленных исследований подтверждает такой ре­зультат. Так, например, в |43] при сжигании экибастузского угля в топ­ке котла БКЗ-420-140-5 оказалось, что угрубление пыли с /?₉₀ ~ 10% до R_go = 20% снижает концентрацию оксидов азота в дымовых газах примерно на 10%. Более сильное влияние гранулометрического состава на содержание NO_V было получено сотрудниками УралВТИ при сжига­нии экибастузского угля в топке котла ПК-39 [44].

При сжигании высокореакционных каменных углей (кузнецкие Г, Д, битуминозные угли США) часто применяют прямоточно-вихревые горел­ки. В этом случае мелкие фракции воспламеняются быстрее и двигаются вместе с воздухом по линиям тока. Крупные частицы прогреваются медленнее и, двигаясь по инерции, попадают в зону приосевой рецирку­ляции, где концентрации кислорода значительно ниже, чем в первичном воздухе. Этим, по мнению американских специалистов [28], объясня­

ется влияние гранулометрического состава пыли на выбросы оксидов азота, отмеченное на пылеугольных котлах в C1II А.

Таким образом, сжигание пыли грубого помола при прочих равных, условиях приводит к небольшому снижению концентрации оксидов азо< та в продуктах сгорания по сравнению с работой на тонкой пыли. i

2.6. ОБРАЗОВАНИЕ ОКСИДОВ АЗОТА

ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА В КИПЯЩЕМ СЛОЕ

Этот способ сжигания органического топлива принципиально отлича­ется от рассмотренного выше факельного. Он состоит в использовании слоя зернистого инертного материала, в который подается дробленое твердое топливо (возможно также сжигание в слое мазута или газа). Под действием восходящего потока воздуха, подаваемого снизу через распределительную решетку, происходит псевдоожижение слоя. Погру­женные в слой поверхности нагрева обеспечивают сравнительно низкую температуру процесса (750-950°С), при которой не происходит раз­мягчения золы и шлакования. Тепловое напряжение зоны горения в топ­ках с кипящим слоем значительно превышает аналогичный параметр для факельных топок, что позволяет уменьшить размеры котлов даже с учетом требуемого свободного объема над слоем. Более интенсивный теплообмен в слое, где поверхности нагрева соприкасаются с раскален­ными движущимися частипдми, позволяет сократить площадь этих по­верхностей. Но главный фактор, который заставил многочисленные научные коллективы в начале 70-х годов широко развернуть исследова­ние этого процесса, состоял в возможности значительного снижения выбросов сернистого ангидрида путем связывания серы топлива адсор­бентом (обычно в качестве адсорбента используется молотый извест­няк) , подаваемым вместе с топливом в слой.

Пониженный уровень температур в зоне горения позволяет рассмат­ривать топки с кипящим слоем как одно из средств снижения выбросов оксидов азота. Действительно, при температуре 750—950°С можно уве­ренно говорить об отсутствии термических NO_X. Кроме того, при сжига­нии угля в кипящем слое создаются благоприятные условия для восста­новления оксида азота до безвредного молекулярного азота.

В настоящее время имеется уже большое число промышленных кот­лов и несколько энергетических котлов небольшой производительно­сти, оборудованных топками с кипящим слоем. Рассматривается воз­можность создания и крупных энергетических котлов мощностью до 600 МВт для сжигания в кипящем слое низкокачественных (высоко­зольных) углей, для которых применение традиционного факельного метода сжигания весьма проблематично. По мнению некоторых зарубеж­ных специалистов [45], накопленный промышленный опыт сжигания твердого топлива в кипящем слое дает основания считать, что дальней­шее совершенствование этой технологии сжигания и решение некото­

рых конструктивных проблем сделают возможным применение ста­ционарного кипящего слоя при атмосферном давлении для блоков мощ­ностью до 100 МВт, циркулирующего кипящего слоя - до 200 МВт, а кипящего слоя под давлением — для энергоблоков мощностью до 700 МВт.

В связи с перспективой более широкого использования топок с ки­пящим слоем (особенно в малой энергетике, где главное достоинство таких установок заключается в отсутствии углеразмольного оборудова­ния) значительный интерес представляет обобщение результатов иссле­дований, устанавливающих зависимость образования оксидов азота от режимных и конструктивных факторов.

В соответствии с существующими представлениями уголь, подавае­мый в слой, подвергается термическому разложению, вследствие чего из него выделяются летучие, в том числе азотсодержащие компоненты. В нижней части слоя, богатой кислородом, происходят окисление этих составляющих до N0, а также гетерогенные реакции между азотом коксовых частиц и кислородом с образованием NO. В верхней части слоя в эмульсионной фазе происходят как окислительные, так и вос­становительные реакции типа NH₃ + NO -» N₂ + Н₂О + 1/2Н₂ и 2NO + + 2 С -* N₂ + 2СО. В объеме над слоем также возможны восстановитель­ные реакции, особенно при недостатке окислителя. Однако, если в слое большее значение имеет гетерогенное восстановление оксида азота на поверхности коксовых частиц, то в объеме над слоем, вероятно, боль­шую роль играют гомогенные реакции между NO и газами-восстанови­телями СО и NH₃.

Схему превращений азота топлива в кипящем слое лучше всего рас­смотреть на конкретном примере. Сотрудниками Массачусетского технологического института (Кембридж, США) была разработана мате­матическая модель процесса сжигания угля в кипящем слое [46]. Ис­пользуя уравнения химической кинетики, они создали программу, ре­шение которой позволило получить поля концентраций NO и NH₃ в слое при различных режимах горения. Был выполнен расчет с учетом началь­ных условий, характерных для экспериментальной установки Масса­чусетского технологического института: скорость газа 0,87 м/с, коэф­фициент избытка воздуха 1,323, температура газа 760°С, высота слоя в состоянии ожижения 0,796 м, начальный радиус частиц угля 0,246 мм. В результате расчета оказалось, что 70,6% топливного азота выделяется в виде летучих (в форме NH₃) и 29,4% остается в начале процесса в кок­совом остатке. Только 0,15% оксида азота реагирует с NH₃ до N₂, а 64,45% NO, образовавшегося из летучих и из коксового остатка, восста­навливается до N₂ за счет реакции с коксовым остатком. Оношение оксида азота, образовавшегося из летучих, к NO из коксового остатка равна 1,6. Примерно 8% топливного азота покидает слой в виде NH₃, а 26,4% — в виде оксида азота. Остальной азот топлива (65,5%) перехо­дит в молекулярный азот.

Приведенные цифры, разумеется, относятся к определенному режи­му горения и к определенному виду топлива (битуминозному углю типа кузнецких углей марки Г). При сжигании в слое других углей, с большей или меньшей степенью метаморфизма, соотношения между различными компонентами будут иными.

Это было убедительно показано исследованиями, которые провели сотрудники университета в г. Лидс (Великобритания), сжигавшие на своей экспериментальной установке пять различных марок углей: от антрацита до торфа [47]. Экспериментальная установка представляла собой топку с кипящим слоем площадью 0,3 м². В качестве инертного материала использовался кварцевый песок с размером зерен от 0,5 до 1 мм. Избыток воздуха в топке регулировался расходом топлива, а требуемая температура в слое поддерживалась за счет погружения в него охдаждаюших змеевиков. В различных опытах температура слоя менялась от 750 до 900°С, коэффициент избытка воздуха а от 1,2 до 2,2, скорость псевдоожижения в слое составляла 1,0 м/с, высота слоя в по­кое — 0,25 м. В исследованных марках твердого топлива содержание азота колебалось от 0,8 до 2,0%, а выход летучих — от 7 до 65% (на су­хую массу).

Результаты опытов с изменением температуры слоя показали, что для всех топлив, кроме торфа, наблюдается почти линейный рост вы­хода NO по мере увеличения температуры: при увеличении t_cn на де­сять градусов (в диапазоне от 750 до 900°С) концентрация N0 увеличи­вается на 15 см³/м³. Абсолютные значения концентрации NO для ка­менного угля менялись в указанном диапазоне температур от 320 до 500 см³/м³ (при содержании кислорода в продуктах сгорания, рав­ном 4,5—5%).

При сжигании торфа, у которого, как известно, выход летучих про­исходит при более низких температурах, концентрация оксида азота в продуктах сгорания оставалась практически постоянной (230— 240 см³/м³ при О2 =3-гЗ,5%) во всем диапазоне проверенных темпера­тур (рис. 2.21).

Результаты опытов с изменением избытка воздуха показали, что для всех топлив повышается степень перехода азота топлива в оксиды азота с ростом а. На рис. 2.22 приведены полученные результаты в зависимо­сти от содержания кислорода в продуктах сгорания. Из приведенных графиков видно, что максимальная степень перехода азота топлива в оксиды наблюдается у антрацита и кокса (V^d = 7,4 и 11,3% соответст­венно), а минимальная — у торфа (F^d = 64,4%). У каменного угля, содержащего примерно столько же азота (1,8-2,0% на сухую массу), но с меньшим по сравнению с торфом выходом летучих {V^d = 36,4%), степень перехода азота в оксиды оказалась значительно выше, чем у тор­фа. Фракционный состав топлива, как видно из рис. 2.22, не оказывал существенного влияния на образование оксидов азота. i

⁵⁰ ■ ?.' ■ -Я

Рис. 2.21. Зависимость концентрации оксидов азота в продуктах сгорания от тем­пературы слоя [47]:

О - каменный уголь; Л - антрацит; □ - торф; V - высокозольный каменный уголь

Рис. 2.22. Степень перехода азота топлива в оксиды X в зависимости от избытка воздуха [47[:

О, • - каменный уголь; + - каменный уголь, фракция 10-16 мм; - торф; v.v — высокозольный уголь; А, ▲ - антрацит; <0>-кокс; светлые обозначения- опыты с фракцией больше 6 мм, темные - меньше 6 мм

Отбор проб газа в двух точках по высоте слоя и в нескольких точках по высоте камеры над слоем позволил получить профили концентраций NO, NO₂ и О₂ при изменении режимных параметров и характеристик сжигаемого топлива. В качестве примера на рис. 2.23 приведены профи­ли концентраций N0, суммы NO и NO₂ и кислорода при сжигании ка­менного угля (фракция от 10 до 16 мм). Верхняя часть рисунка отно­сится к режиму с коэффициентом избытка воздуха а = 1,0 при темпера­туре слоя 810°С, нижняя часть — к режиму с а = 1,65 при г_сл = 850-^ 855°С. Сравнение этих графиков показывает, что при небольшом избыт­ке воздуха наблюдается значительное снижение концентрации NO_X, связанное с восстановлением оксида азота.

Обработка результатов измерений при сжигании различных топлив показала, что максимальное восстановление оксида азота наблюдается У торфа, минимальное — у антрацита (рис. 2.24). Следовательно, степень метаморфизма топлива при сжигании его в кипящем слое в значитель-

Рис. 2.23. Профили концентраций NO, NO + NO₂ и О₂ по высоте слоя и камеры над слоем [47]:

• - NO + NO₂; о- NO;®- О₂

Рис. 224. Степень восстановления оксида азота ф в зависимости от коэффициента избытка воздуха в слое:

- торф; о, • - каменный уголь; ▼ - высокозольный уголь; А, А - антра­цит; светлые обозначения — опыты с фракциями 6—16 мм, темные - менее 6 мм

ной степени определяет интенсивность восстановительного процесса, а следовательно, — и выбросы оксидов азота.

Авторы [47] считают, что обнаруженное ими восстановление NC в объеме над слоем происходит главным образом за счет горючих ле тучих и азотсодержащих радикалов и в меньшей степени — за счет ге¹ терогенных восстановительных реакций на поверхности выносимы) в объем коксовых частиц.

Таким образом, сжигание твердого топлива в кипящем слое позво­ляет избавиться от термических оксидов азота, но образование топлив­ных NO_X приводит к тому, что без внедрения специальных режимных или конструктивных мероприятий выбросы оксидов азота с дымовыми газами могут оказаться такими же значительными, как и в пылеуголь­ных котлах, оборудованных топками с твердым шлакоудалением.

Глава третья

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Результаты исследований, описанных в предыдущей главе, показы­вают, что особенности процесса горения (как факельного, так и в ки­пящем слое) в решающей степени определяют количество образующих­ся в топке оксидов азота. Следовательно, изменение топочного процесса в нужном направлении может привести к снижению выбросов оксидов азота без дорогостоящих мероприятий по очистке дымовых газов.

Изучение механизма образования NO_X показало, что при образовании топливных NO_X важнейшим фактором является концентрация кислоро­да в зоне сгорания летучих, а температура процесса (в диапазоне, имею­щем место в реальных котлах) 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 немаловажное значение. Это обстоятельство определило 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 NO_X необхо­димы мероприятия, ограничивающие 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 уже не является столь же эффективной мерой снижения выбросов NO_X.

С другой стороны, имеется огромное количество пылеугольных кот­лов, в которых высоковлажные или высокозольные угли сжигаются в топках с твердым шлакоудалением. Максимальные температуры в таких топках равны 1300—1450°С. Понятно, что для снижения вы­бросов оксидов азота такими котлами бесполезно (а иногда — и не­возможно) снижать температурный уровень: в этих котлах практически все оксиды азота образуются из азота топлива, и поэтому снижать их образование следует изменением концентрации окислителя в той зоне, где происходит воспламенение и горение летучих.

В настоящее время энергетиками в СССР и за рубежом разработано и внедрено в промышленность большое количество технических реше­ний, обеспечивающих снижение образования оксидов азота. В США, например, по сведениям института EPRI, на ноябрь 1984 г. в общей сложности было реконструировано 136 котлов суммарной мощностью 71 ГВт. В некоторых случаях снижение выбросов NO_X достигало 60% [48].

Рис. 3.1. Технологические методы снижения выбросов оксидов азота

Классифицировать известные технические решения весьма непросто, так как многие из них одновременно изменяют и уровень максималь­ных температур, и концентрацию окислителя на начальном участке фа­кела. К тому же некоторые авторы считают самостоятельными такие технические решения, которые другим специалистам представляются всего лишь модификацией уже известных. Поэтому на рис. 3.1 пред­ставлена всего лишь упрощенная схема, которая, однако, охватывает практически все проверенные в промышленности технологические ме­роприятия по снижению образования оксидов азота.

Несмотря на обилие известных и большое число проверенных мето­дов, говорить о решении проблемы еще не приходится. Даже для та­кого ’’легкого” топлива, как природный газ, известные методы или недостаточно эффективны, или приводят к снижению экономичности котлов. Если же говорить о мазуте и особенно — о твердом топливе, где многообразие конструктивных решений по топке и горелочным

устройствам накладывается на многообразие топливных характери­стик, то здесь уже имеется много примеров, когда мероприятия, про­веренные в стендовых условиях или даже успешно внедренные на од­ном котле, оказываются непригодными на котле с другой конструк­цией топочной камеры или при изменении некоторых характеристик сжигаемого топлива. В связи с этим рационально более подробно рас­смотреть возможные пути снижения образования оксидов азота от­дельно для твердого, жидкого и газообразного топлива.

3.2. СНИЖЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА

ПРИ СЖИГАНИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА