Уменьшение окислов азота
Окислы азота вредно действуют на органы дыхания живых организмов и вызывают ряд серьезных заболеваний, а также разрушающе действуют на оборудование и материалы, способствуют образованию смогов и ухудшению видимости. По данным табл. 8.1 можно судить о токсичности окислов азота. Так, максимально - разовая, предельно допустимая концентрация двуокиси азота почти в 6 раз ниже, чем ПДК для сернистого ангидрида, и в 30 раз меньше, чем для окиси углерода. Окислы азота образуются за счет окисления содержащегося в топливе азота и азота воздуха и содержатся в продуктах сгорания всех топлив - углей, мазутов и природного газа. Условием окисления азота воздуха является диссоциация молекулы кислорода воздуха под действием высоких температур в топке (1900 - 2000°С).
В результате реакций в топочной камере образуется в основном окись азота NO (более 95%). Образование двуокиси азота NO2 за счет до окисления NO требует значительного времени и происходит при низких температурах на открытом воздухе. Таким образом, на выходе из дымовой трубы состав окислов азота почти не изменяется по сравнению с топочной камерой и только в атмосфере происходит процесс его постепенного до окисления. Концентрация окислов азота в уходящих газах котлов находится в пределах от 0,1 до 1,3 г/м3. Количество окислов азота, образующихся при горении, зависит от уровня и распределения температур, т. е. зависит от соотношения скорости горения и скорости отвода теплоты от факела.
Уменьшение окислов азота характерно для высококалорийных сортов топлива и форсированных топок. В воде NO практически не растворяется. Очистка продуктов сгорания от NO и других окислов азота технически сложна и в большинстве случаев экономически нерентабельна. Вследствие этого усилия как у нас, так и за рубежом направлены в основном на снижение образования окислов азота в топках котлов.
Уменьшение окислов азота в процессе горения топлива происходит при снижении температуры горения, при уменьшение окислов азота и кислорода в высокотемпературной части факела, а также при уменьшении количества свободного кислорода в факеле. Анализ основных факторов, влияющих на образование окислов азота, позволяет наметить и подавления в топке.
Радикальным способом снижения образования окислов азота является организация двухстадийного сжигания топлива, т. е. применение двухступенчатых горелочных устройств (см. 4.3). По этому методу в первичную вону горения подается 50 - 70% необходимого для горения воздуха, остальная часть воздуха (50 - 30%) поступает во вторую зону, где происходит дожигание продуктов неполного сгорания. Отвод теплоты из первичной зоны горения должен быть достаточно большим, чтобы заключительная стадия процесса горения происходила при более низкой температуре.
В настоящее время проводятся исследования работы горелочных устройств для двухстадийного горения или получения растянутого по длине топочной камеры факела, что должно обеспечивать значительное снижение температурного уровня в топке и соответственно уменьшение образования окислов азота. Вторым методом подавления образования окислов азота в топке является рециркуляция дымовых газов в топочную камеру. В этом случае дымовые газы при температуре 300 - 400°С забираются из конвективной шахты котла и подаются в топочную камеру. Ввод газов в топочную камеру может осуществляться через шлицы под горелками, через кольцевой канал вокруг горелок или путем подмешивания газов в воздух перед горелками.
Как показали исследования, наиболее эффективным оказался последний способ, когда уменьшение окислов азота производит наибольшее снижение температуры в ядре факела. Подмешивая до 20 - 25 % дымовых газов, удается снизить содержание окислов азота на 40 - 50 %. Рециркуляция газа, наряду с уменьшением температуры горения, приводит к снижению концентрации кислорода, т. е. уменьшению скорости горения, растягиванию зоны горения и более эффективному охлаждению этой зоны топочными экранами. Подача воды и пара в зону горения также приводит к снижению образования окислов азота. Ввод воды или водяного пара в количестве 5 - 10 % всего количества воздуха снижает температурный уровень в топке, так же как и при вводе циркулирующего газа.
Снижение температуры подогрева и уменьшение избытка воздуха в топке тоже несколько уменьшает образование окислов азота как за счет снижения температурного уровня в топке, так и за счет уменьшения концентрации свободного кислорода. Перечисленные способы при комплексном их использовании могут существенно снизить образование окислов азота в топке. В табл. 8.2 приведены ориентировочные усредненные предварительные данные по эффективности различных способов снижения образования окислов азота в топках котлов.
Таблица 8.2. Возможные пределы снижения образования NO2 в толках котлов, %
Из табл. 8.2 видно, что за счет комбинации различных мероприятий образование окислов азота на природном газе можно сократить в 5 - 10 раз, на мазуте примерно в 3 раза, на твердом топливе в 2 раза.