Усовершенствование метода трехступенчатого сжигания

Наиболее перспективными в настоящее время являются различные методы стадийного сжигания, особенно трёхступенчатое, благодаря которому можно не только подавить образование оксидов азота, но и восстановить часть NO_x, образовавшихся на начальной стадии горения. Как показали расчёты, восстановление оксидов азота при трёхступенчатом сжигании происходит во второй зоне, где избыток воздуха меньше стехиометрического, в результате взаимодействия молекул NО с углеводороднымиCHi и азотосодержащими RN, радикалами /6,7/.

В связи с этим возникла идея создания в топочном устройстве таких условий, которые бы способствовали более существенному восстановлению образовавшихся на первой стадии горения оксидов азота. Необходимыми для этого условиями являются восстановительная среда и наличие значительного количества радикалов CHi и RNi /10/.

Для создания восстановительной зоны при стадийном сжигании топливо вводится в топочную камеру с недостатком воздуха. Однако в этом случае скорости реагирования углеводородных и азотосодержащих радикалов с промежуточными продуктами сгорания, содержащими кислород О, ОН, в 10–100 раз выше, чем с оксидом азота. Подача топлива без окислительной среды или с очень низкими значениями коэффициента избытка воздухав восстановительную зону для интенсификации процесса реагирования СН, и RN; с N0 приведёт к значительному недожогу топлива и шлакованию поверхностей нагрева. Анализ результатов расчёта (интегралов скоростей реакций) показал, что вклад реакций с RNi в восстановление NО существенно выше аналогичного вклада реакций с CHi. Поэтому для большего разложения оксидов азота в восстановительной зоне целесообразно обеспечивать присутствие в ней большего количества азотосодержащих радикалов RNi

В зависимости от режимных условий азотосодержащие радикалы в продуктах сгорания реагируют по двум конкурирующим каналам с образованием N₂ и NО:

(1.6)

Причём в продуктах сгорания с избытком окислителя существенный вклад канала N₂ в общий процесс реагирования RNi наблюдается при температурах 1150–1350 К. При более высоких температурах Т>1500 К преобладает процесс реагирования RNi по каналу NО. В продуктах неполного сгорания при а<1вследствие малого количества промежуточных кислородосодержащих радикалов типа О, ОН процесс восстановления NО в результате реагирования с RNj по каналу N₂ идёт при более высоких температурах Т>1600–1700 К. На практике такие условия могут быть реализованы при двух- и трёхступенчатом сжигании органического топлива. Для этого в промежуток между верхней зоной дожигания и предыдущей восстановительной зоной необходимо ввести азотосодержащее вещество, например аммиак или мочевину.Для проверки эффекта восстановления оксидов азота при ступенчатом сжигании топлива с вводом азотосодержащего вещества в зону горения были проведены расчётно-теоретические исследования на базе математической модели. Последняя включает кинетический механизм из 73 обратимых реакций реагирования 27 химический веществ. Расчёты выполнялись для случаев горения мазута (N^p =0,3 %) природного газа. Температура горячего воздуха Т_о принималась равной 600 К, температура продуктов сгорания на выходе из топки Т_к=1523 К, а максимальная температура факела Т_макс достигала 2000 К. В общем случае при сжигании азотосодержащих топлив происходит образование быстрых топливных и термических оксидов азота. Образование последних происходит в области высоких температур и в значительной мере определяется наличием в зону их эмиссии свободного кислорода. Эмиссия быстрых и топливных оксидов азота при неизменном температурном режиме мало зависит от общего коэффициента избытка воздуха и в основном определяется локальными избытками воздуха из-за их образования на начальном участке факела еще до момента достижения максимальных температур и полного расходования кислорода. При снижении избытков воздуха до а =1 и ниже наблюдается практически полное подавление эмиссии термических NO. Некоторое уменьшение конечного выхода быстрых и топливных NO в результате их разложения наблюдается при а<0,95.

При отсутствии свободного кислорода О₂ в продуктах сгорания ввод NH₃практически всегда приводит к восстановлению NO. Значение восстановления NOсущественно зависит от температуры факела в месте ввода аммиака Твв. При температурах ввода Твв=1750–1800 К степень разложения оксида азотасоставляет 85-76 %. Дальнейшее снижение Твв<1760 К практически не дает дополнительного разложения оксидов азота и остается на уровне 85–90 %. Следует отметить, что со снижением температуры факела в месте ввода аммиака Т_ввпроисходит увеличение времени протекания реакций восстановления NO. Поэтому оптимальные условия ввода NH₃, видимо, следует определять исходя из учета этих противоречивых факторов. Суммарная эмиссия быстрых и топливных NО, кроме избытков воздуха и температуры, согласно расчетам зависит от темпа нагрева факела <р_нагр=АТ_нагр/Ат_нагр, где АТ_нагр = Т_чакс–Т_о; т _нагр – время, за которое температура факела возрастает от Т_о до Тмакс. Следует отметить, что чем выше <p_нагр, тем больше эмиссия NО. Однако несмотря на разный исходный суммарный уровень быстрых и топливных оксидов азота, их конечный уровень после ввода аммиака при Т_вв<1800 К был практически одинаков. Данное явление предстоит еще объяснить.

Таким образом, расчеты подтвердили принципиальную возможность восстановления NО до N₂ в топке котла при ступенчатом сжигании любого органического топлива в результате ввода аммиака в восстановительную зону.

Для обеспечения высокой эффективности предложенного методавводимый в восстановительную зону аммиак необходимо максимально полнее перемешать с продуктами сгорания. Ввиду небольшого расхода аммиака, например, около 150 г/си содержании NО в восстановительной зоне на уровне 450 мг/м³ для пылеугольного котла производительностью 670 т/ч его удовлетворительное перемешивание можно обеспечить только благодаря подаче с помощью какой-либо среды. В качестве такой транспортирующей среды в настоящей работе были рассмотрены воздух, газы рециркуляции и водяной пар.

Подача аммиака с остаточным воздухом во вторую ступень горения увеличивает эмиссию NО по сравнению с обычной двухступенчатой схемой сжигания, хотя конечный выход NО меньше, чем при традиционном факельном сжигании топлива. Этот результат легко объясним, так как присутствие радикалов NH, в зоне высоких температур при наличии свободного молекулярного кислорода приводит к дополнительному образованию оксидов азота.

Расчёты ввода NH₃ с продуктами сгорания мазута при а =1,05, отобранными из конвективного газохода и содержащими некоторое количество свободного молекулярного кислорода, показали следующее. В зависимости от места ввода NH₃ с газами рециркуляции и количества последних (в расчетах принимались два значения степени рециркуляции R=5 % и R=10 %) при двухступенчатом сжигании наблюдались как до­полнительная (на 8-10 %) эмиссия NО по сравнению с традиционным ступенчатым сжиганием, так и некоторое (до 20 %) разложение NО, т. е. даже небольшое количество свободного кислорода приводит к интенсивному реагированию NH₃ по каналу NО (1). В указанных условиях выход канала N₂ приблизительно сопоставим с выходом канала NО. В зависимости от того, из какого канала выход больше, в каждом конкретном случае будет наблюдаться прирост или разложение NО по сравнению с обычным двухступенчатым сжиганием.

Следовательно, для организации восстановления образовавшихся оксидов азота ввода NH₃ может быть осуществлен только со средой, в которой отсутствует свободный кислород в значительных количествах. Такими средами являются водяной пар и продукты полного сгорания топлива т.е. смесь СО₂, Н₂О, N₂. Количество вводимого с аммиаком водяного пара составляло 5 % топлива, а степень рециркуляции продуктов сгорания СО₂, Н₂О, N₂ равнялась 10 %. Организация ввода аммиака с указанными средами обеспечивает снижение выхода NO по сравнению с классическими способами двух- и трехступенчатого сжигания в 1,5–2 раза в зависимости от условий ввода азотосодержащего вещества.

Очевидно, что при вводе аммиака в промежуток между заключительной зоной дожигания и восстановительной зоной часть аммиака, особенно при условии а>1,0, может полностью не прореагироватьк моменту выхода из восстановительной зоны. Подобное явление, наблюдающееся при некаталитическом или каталитическом восстановлении оксидов азота аммиаком и называемое проскоком аммиака,приводит к следующим негативным последствиям. Во-первых, выброс в атмосферу аммиака, который является токсичным веществом, приводит к загрязнению окружающей среды. Во-вторых, наличие NH в уходящих газах приводит к образованию бисульфата аммония (NH)SO, который отлагается на поверхности воздухоподогревателя. В отличие от каталитического и некаталитического методов проскок NH из восстановительной зоны в зону дожигания при реализации предлагаемого ступенчатого метода сжигания не вызывает указанных негативных явлений. Попавший в зону дожигания остаточный NH в окислительной среде и при высоких температурах газа Т>1600 К полностью окислится до NО по реакци (1.4).

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6 H₂O (1.7)

Причем количество молей образовавшегося оксида азота будет равно количеству молей аммиака. Таким образом, остаточный в восстановительной зоне NH₃ вызывает некоторое увеличение концентрации NО в зоне дожигания. Поэтому оптимальность различных режимов предлагаемого способа ступенчатого сжигания топлив определяется по условию минимума суммарных концентраций оксидов азота и аммиака на выходе из восстановительной зоны: Кроме рассмотренного ввода NH_3. В одном из сечении по длине факела исследовалась эффективность восстановления NО при вводе аммиака одновременно в двух разных сечениях факела (двойной последовательный ввод аммиака). Эффективность различных вариантов ввода NH₃ при ступенчатом сжигании оценивалась по суммарной концентрации NO и NH₃ на выходе из восстановительной зоны. Эффективность двойного последовательного ввода NH₃ почти во всех рассмотренных вариантах была выше, чем при одинарном вводе аммиака при одинаковом мольном соотношении. Наиболее эффективным является двойной ввод NH₃ при более низких температурах Т_вв1 Т_вв2 = 1800 К/1750 К. В этом случае при примерно равных конечных концентрациях NO на выходе из восстановительной зоны остаточные концентрации NH₃ почти в 5 разнижепо сравнению с одинарным вводом аммиака.

Следовательно, существует принципиальная возможность существенного снижения выхода NO при ступенчатом сжигании любых органических топлив в результате ввода азотосодержащеговещества в промежуток между восстановительной и заключительнойзоной дожигания. Азотосодержащее вещество должно транспортироваться средой, не содержащей свободный кислород. Степень восстановления оксидов азота в зависимости от условий реализации данного метода составляет 70–90 %, что сравнимо с эффективностью каталитического и некаталитического методов восстановления оксидов азота. Дополнительным преимуществом предложенного метода является отсутствие «проскока аммиака» и связанных с ним негативных явлений. Кроме того, количество расходуемого при этом аммиака примерно в 2 раза меньше, чем при реализации некаталитического или каталитического способов восстановления N0. Это объясняется меньшим количеством оксидов азота, образующихся при ступенчатом сжигании, по сравнению с традиционным факельным сжиганием топлив. С учетом изложенного стоимость реализации данного метода согласно расчетным оценкам будет в 1,5–2 раза ниже стоимости некаталитического метода и не менее чем в 10–15 раз ниже стоимости каталитического метода. Следует также отметить, что существуют некоторые технические трудности при практической реализации данного метода на реальных котлах. К ним относятся проблемы организации качественного перемешивания азотосодержащего вещества с продуктами сгорания на достаточно коротком участке факела, влияние неравномерности температур и концентрации газов в сечении факела и др. В настоящее время проводится проработка этих вопросов.