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 NO до N2).
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 кр приводит к резкому увеличению химического недожога топлива и возрастанию выбросов бенз(а)пирена. Величина кр зависит от присосов воздуха в топку, равномерности раздачи воздуха и топлива по горелкам, типа горелочных устройств и некоторых других факторов. Величина кр определяется 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 рециркуляции r (%) 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 NOx в % на 1 % степени рециркуляции |
В топливо |
3,5 – 4,5 |
В первичный воздух |
3,0 |
В общий канал воздуха |
2,5 |
По кольцевому каналу вокруг горелки |
1,5 |
В шлицы под грелками |
1,0 |
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 и c противоположной 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:
Н2О ОН + Н.
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.