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/м³.

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.