3.3. Контроль повноти спалювання і забруднення довкілля

Ступінь забруднення повітря, яка пов'язана із спалюваням палива, залежить від виду палива. В цьому відношенні ідеальним паливом є водень, оскільки його можна діставати в досить чистому вигляді, тобто вільним від домішок, таких як сірка, і при повному згорянні він утворює тільки воду. Однак при спалюванні утворюється деяка кількість оксидів азоту.

При згорянні природнього газу може утворюватись деяка кількість оки-сидів вуглецю, може виділятися також не повністю згоріле паливо. Нафта і вугілля містять сірку, яка при окисненні² утворює двоокис і триокис сірки. Крім цього в вугіллі містяться деякі нелеткі речовини, які можуть виноситись через димову трубу. Кожне з цих забруднень потребує відповідних засобів контролю.

3.3.1. Окис вуглецю і непрореаговані вуглеводні

Ці два забруднюючих середовища розглядаються разом, оскільки їх виникнення пов'язане спільною причиною - неповним згоранням.

Повнота згорання залежить від двох факторів - надлишку повітря і змішування палива з повітрям. Газоподібні палива легко змішуються з повітрям і тому згорають майже повністю при відносно невеликому надлишку кисню (приблизно 1,5%). Рідкі палива змішуються не так добре, особливо палива з високою в'язкістю, і для їх ефективного згорання необхідно здійснювати вприскування під великим тиском і розпилювання з допомогою водяної пари. Але навіть при цих умовах для повного згорання необхідно більший надлишок повітря, ніж для повного згорання газу. Тверді палива ще важче змішати з повітрям і потребують ще більший надлишок повітря.

² Окиснення — хімічний процес, під час якого елемент (або сполука) втрачає електрони, при цьому ступінь окиснення її елементів підвищується.

Природно, що в будь якому процесі горіння існує рівновага між вуглеводневим паливом, оксидом вуглеводню і киснем:

Кисень зсуває рівновагу вправо. В добре перемішаній системі, з надлишком повітря, концентрація неспалених вуглеводнів повинна бути менша

концентрації CO. Тому, якщо тільки регулювати вміст CO, концентрація вуглеводнів обов'язково буде низькою. Отже, можна сказати, що контроль вмісту O2 в димовому газі означає контроль концентрації CO , який знаходиться в рівновазі з киснем.

Однак рівновага в значній мірі залежить від змішування. Недостача повітря в якому-небудь місці зони горіння може викликати виділення незгорілих вуглеводнів і CO. Неефективне розпилення, визване забиттям паливної форсунки , дає аналогічний вплив. Змішування також стає менш повним при малих навантаженнях, коли швидкість палива і повітря невеликі.

Отже, контроль вмісту О2 не обов'язково забезпечує контроль виділення CO. Деякі дослідники вказують, що максимальну повноту згорання можна дістати, коли вміст кисню після спалювання природного газу становить 1-2%, а після спалювання нафти - 2,5-3,5%, вугілля - 4-5%. Якщо ж повне згорання досягається при більших рівнях, то це є сигналом, що необхідно прочистити або відрегулювати форсунки.

Конценрацію CO можна виміряти інфрачервоними газоаналізаторами. Якщо регулювати відношення витрат повітря і палива для підтримання постійної концентрації CO в димових газах, то отримана в результаті цього концентрація кисню характеризувала б умови на форсунках при будь якому заданому навантаженні.

3.3.2. Оксиди азоту

При високих температурах (>1650°С) молекули димового газу починають дисоціювати⁴ і розпадатися на йони. Виникає рівноважний стан, при якому йони азоту і кисню можуть з'єднуватись, утворюючи оксиди азоту:

Ці оксиди представляють собою суміші NO, NO2, N2O3 і N2O5, які з'єднуються з вологою і повітрям і утворюють азотну кислоту.

Утворення NO_n збільшується із збільшенням температури і тиску, а також

³ Форсунка, інжектор — механічний розпилювач рідини або газу.

⁴ Дисоціація - розклад молекул на простіші молекули, атоми, атомні групи або йони.

при достатньому надлишку повітря. В двигунах утворюється значна кількість NO_n, так як горіння відбувається при тиску. Деякі дослідники вказують, що зазвичай утворюється 0,01 % NO_n при горінні газу, 0,015 % NO_n при горінні легких фракцій, 0,025 % NO_n при горінні нафтових залишків і до 0,05 % NO_n при горінні вугілля. Така закономірність звязана з надлишком кисню, потрібним для згоряння цих палив. Якщо серед утворених оксидів переважає NO2, то швидкість утворення оксиду пропорційна квадрату концентрації кисню в димових газах. Так як для ефективного спалювання вугілля зазвичай необхідно вдвічі більший надлишок кисню, в порівнянні із спалюванням газу, то можна очікувати, що при спалюванні вугілля концентрація NO_n буде в чотири рази вищою, ніж при спалюванні газу.

Будь-яка модифікація чи регулювання форсунок, яка зумовить повне згоряння палива при меншому надлишку повітря, призведе і до зменшення вмісту NOx в димових газах. Отже, конструкція форсунок і їх справність - важлива умова зменшення забруднення навколишнього середовища оксидами азоту. А точний контроль надлишку повітря, поряд із зменшенням втрат тепла, також зменшує виділення NO_n.

Іншим контрольованим параметром, який має важливий вплив на утворення NO_n, є температура горіння. Зменшувати температуру в зоні горіння найкраще розбавленням палива димовим газом з якого вже використана значна частина тепла. Виміряти дійсну температуру горіння важко. Повертаючи деяку частину димового газу в магістраль подачі повітря, яке поступає в зону горіння, ми можемо регулювати температуру полум'я.

Проблема в тому, що температура димового газу не є постійною, із підвищенням навантаження вона зростає, і тому відношення рециркуляційного димового газу до витрати повітря необхідно постійно регулювати.

Баланс тепла для димового газу показує, що температура полум'я зменшується від свого максимального значення Т_mах до Т при циркуляції п-ої долі димового газу, який має температуру Тсо.

Якщо на рециркуляцію⁵ направити близько 25% димового газу при температурі 260 °С, то температура полум'я зменшиться від 1650 до 1370 °С.

Розглянемо схему регулювання, яка задає витрату рециркуляційного

⁵ Рециркуляція - багатократне повне або часткове повернення потоку газів, рідких або твердих речовин в технологічний процес з метою регулювання температури, концентрації компонентів в сумішах, збільшення виходу цільової речовини.

димового газу пропорційно до витрати водяної пари з допомогою регулятора співвідношення.

Рис. 3.13. Схема рециркуляції димового газу, з витратою пропорційною до

витрати водяної пари.

Застосовуючи схему зображену на рис.2.13 регулюється температура полум'я і відповідно зменшується утворення оксидів азоту. Збільшення заданого відношення призведе до зростання рециркуляційної витрати і, відповідно, до зменшення виділення NO_n. Але із зменшенням градієнта температур між димовим газом і водяною парою зменшиться ККД котельної установки . Тому необхідно знайти оптимальну величину відношення, при якому концентрація NO_n підтримується в заданих межах, але не стає меншою.

Дослідженнями встановлено, що з допомогою рециркуляції димового газу можна зменшити виділення NO_n на 60% при спалюванні газу і на 20 % при спалюванні нафти , але при спалюванні вугілля рециркуляція неефективна. Деяка кількість NO_n буде поглинатися разом з SO2 в мокрих скруберах, які встановлені нижче за потоком. 3.3.3. Тверді частинки палива

Проблема з частинками виникає лише при згорянні твердих палив. Частинки можуть бути твердими, гострими і пористими, здатними поглинати кислоту і вологу. Якщо температура димового газу падає нижче 150°С, то кислоти, що містяться в димовому газі, сконденсуються і викличуть сильну

⁶ Градієнт — характеристика, що показує напрям найшвидшого зростання деякої величини, значення якої міняється від однієї точки простору до іншої.

Градієнт температури — збільшення або зменшення температури по напрям температури середовища.

⁷ ККД котельної установки - це співвідношення корисної потужності, що надається гріючому контуру, і потужності споживаній котлом (теплоспоживання).

корозію⁸. Але при вловлюванні частинок з допомогою фільтра із різних матеріалів, для захисту більшості тканинних матеріалів необхідно, щоб температура була нижчою за 230°С. Тому такі фільтри встановлюють за підігрівачем повітря і роблять пропуск частини газу повз підігрівач, для забезпечення температури димового газу вище від 150°С. З допомогою періодичних продувок у зворотному напрямку або механічного струшування видаляють захоплені частинки.

Електрофільтри можна встановлювати до або після підігрівача повітря в залежності від питомого електричного опору частинок. Якщо вміст сірки в паливі великий (3% і більше), на частинках утворюється провідна плівка із кислоти, і вони стають хорошим провідником при температурі 150-200°С. Така температура є за підігрівачем. Для палив з меншим вмістом сірки електричний фільтр встановлюють як правило перед підігрівачем, де температура перевищує 230°С і забезпечується необхідна електропровідність частинок. Цей варіант більш вигідний, бо частинки не попадають в підігрівач. Електричні фільтри оснащуються контрольно-вимірювальними приладами, які підтримують необхідну напруженість і попереджують утворення коронного розряду . Шляхом періодичного струшування електродів видаляють захоплені частинки.

Мокрі скрубери як правило використовують в комплексі з мокрою системою видалення сірки. Частинки відбираються більш ефективно, якщо потік води рухається в одному напрямку з димовим газом. Капельки води охоплюють тверді частинки, а потім вони виводяться з газу в циклонному апараті. Для видалення частинок часто використовують скрубери або труби Вентурі .

Пристрої типу труби Вентурі чи циклону чутливі до зміни швидкості, що ускладнює їх використання для очистки димового газу. Для пристосування їх до змінної витрати і відповідно до змінного перепеду тисків, деякі труби Вентурі обладнують регульованим вузьким січенням, площа якого автоматично змінюється так, щоб забезпечити постійний перепад тиску на звуженні і, отже, постійну швидкість.

⁸ Корозія - процес хімічного руйнування металів і сплавів при їх взаємодії з зовнішнім середовищем: повітрям, водою, розчинами електролітів тощо. Розрізняють два види корозії: хімічну і електрохімічну.

⁹ Коронний розряд — тип газового розряду, що виникає в сильних неоднорідних електричних полях навколо електродів із великою кривизною в газах із доволі високою густиною.

¹⁰ Труба Вентурі — пристрій для вимірюваннявитрати або швидкості потоку газів і рідин, що являє собою трубу з горловиною, яка вставляється в розрив трубопроводу.

Р ис.3.14. Схема підтримання заданої швидкості газу; циркуляція пропорційна до

навантаження котлоагрегату.

Після видалення частинок потоком з великою швидкістю, проводиться поглинання димових забруднень, наприклад двоокису сірки, за допомогою рухомої протитечії промивного середовища, яка рухається з невеликою швидкістю. Проходячи через скрубери, димовий газ охолоджується і насичується водою. У такому стані він погано піднімається над димарем і, з'єднуючись з атмосферним повітрям, утворює широкий паровий факел. Щоб уникнути цього, перед входом в димар насичений димовий газ знов нагрівають водяною парою або паливом від 80 до 120-150°С. Оскільки енергія, що витрачається на вторинний підігрів є втратами, температуру в димарі потрібно підтримувати на мінімальному рівні відповідно до умов в навколишньому середовищі. Температуру в димарі потрібно регулювати таким чином: щоб вона перевищувала температуру навколишнього середовища на певну величину, що забезпечує різницю щільності, необхідну для створення аеростатичної підйомної сили. Але різницю температур

необхідно підбирати також і в залежності від вологості і швидкості вітру, щоб контролювати видимість факела і узгодити її з вимогами мінімального підігріву.