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 NOx, 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 (Np =0,3 %) природного газа. Температура горячего воздуха То принималась равной 600 К, температура продуктов сгорания на выходе из топки Тк=1523 К, а максимальная температура факела Тмакс 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 Тввпроисходит 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 <рнагр=АТнагр/Атнагр, где АТнагр = Тчакс–То; т нагр – время, за которое температура факела возрастает от То до Тмакс. Следует отметить, что чем выше <pнагр, тем больше эмиссия NО. Однако несмотря на разный исходный суммарный уровень быстрых и топливных оксидов азота, их конечный уровень после ввода аммиака при Твв<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 NH3. 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 Твв1 Твв2 = 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.






Дата добавления: 2016-09-26; просмотров: 1557; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

Воспользовавшись поиском можно найти нужную информацию на сайте.

Поделитесь с друзьями:

Считаете данную информацию полезной, тогда расскажите друзьям в соц. сетях.
Poznayka.org - Познайка.Орг - 2016-2021 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей.
Генерация страницы за: 0.023 сек.