Снижение выбросов оксидов азота

Значение езаппаратурных, технлогических способов денитрификации топочных газов очень велико, так как аппаратурные способы дороги и сложны, что сдерживает их широкое применение.

Из числа этих способов довольно эффективными оказались следующие:

– рециркуляция отходящих газов;

– ступенчатое сжигание топлива;

– сжигание топлива малой зольности;

– снижение плотности теплового потока в топке;

– уменьшение подогрева дутьевого воздуха;

– впрыск в топку воды или водяного пара.

Все указанные способы направлены в основном на снижение температуры и концентрации кислорода непосредственно в факеле. Поэтому их эффективность выше при сжигании газообразного топлива, где доля термических оксидов азота от общего их количества значительно больше, чем для угля или мазута. При комбинации различных технологических способов образование оксидов азота при сжигании природного газа можно сократить в 5-10 раз, при сжигании мазута – в 3 раза, а на твердом топливе – только в 2 раза.

При сжигании природного газа в котельных установках наиболее эффективными (до 5-6 % снижение выбросов NO_x) являются:

– рециркуляция отходящих газов;

– ступенчатое сжигание топлива;

– уменьшение подогрева дутьевого воздуха;

– впрыск в топку воды или водяного пара.

Осуществление этих мероприятий потребовало конструирования новых типов горелочных устройств, а в некоторых случаях - реконструкции всего топочного объема.

Степень рециркуляции газов влияет на выход NO_x следующим образом (рисунок 7.1).

Рисунок 7.1 –Влияние степени рециркуляции на выход NO_x

Степень рециркуляции отходящих газов повышает эффективность сжигания топлива на более чем 15 %. Горелки с рециркуляцией дымовых газов устроены следующим образом (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 – Горелка с рециркуляцией дымовых газов

Рециркуляция в таких горелках может быть естественная и искусственная. На рисунке 7.2 представлена естественная, за счет эжекции дымовых газов топливо-воздушной струей.

При двухстадийном (или ступенчатом) сжигании топлива на 1-ой стадии сжигается топливо с воздухом, количество которого меньше теоретически необходимого (т.е. α < 1). Затем дожигают несгоревшие компоненты, добавляя воздух и доводя α до требуемых значений. Для осуществления ступенчатого сжигания топлива применяют как специальные горелки с рассредоточением подачи воздуха (часть подается вместе с топливом в горелку, а часть в специальную зону дожигания), так и установку горелок в несколько ярусов (горелки нижней зоны работают с α < 1, а верхней с α >> 1, или подается только воздух). Положительную роль в отдельных случаях может сыграть самокарбюризация факела вследствие увеличения интенсивности теплоотдачи от факела.

Температура подогрева дутьевого воздуха влияет на выход оксидов азота следующим образом (рисунок 7.3).

Рисунок 7.3 – Влияние температуры подогрева воздуха на выход NO_x

Относительно эффективности вдувания воды или пара в зону факела как средства снижения NO_x нет единого мнения. Однако большинство сходится во мнении, что при оптимальном водотопливном соотношении не более 0,1-0,15 содержание NO_x может быть снижено до 60 %. Недостатком этого приема является однако возможное снижение к.п.д. котла.

Особенно эффективным способом снижения NO_x (эффективность 70-75 %) является сочетание различных технологических приемов подавления NO_x, например, сочетание снижения зольности с двухступенчатым сжиганием или с рециркуляцией, комбинирование дозированного впрыска воды с понижением расхода воздуха и т.д.

Применительно к сжиганию твердого топлива (пылеугольный факел) более эффективным из перечисленных приемов оказалось только ступенчатое сжигание топлива (содержание NO_x снижается на 40 %) и сочетание двухступенчатого сжигания с малыми α и рециркуляция дымовых газов в сочетании с малыми α (снижение NO_x в пределах 40-60 %).

Следует отметить однако, что снижение α при сжигании твердого и жидкого топлива может привести к другому, очень нежелательному эффекту – заметному увеличению недожега топлива и к росту выбросов СО и других продуктов неполного сгорания (ПАУ, в том числе канцерогенов). Эффективность применения перечисленных технологических приемов снижения выбросов NO_x при слоевом сжигании твердого топлива невысока – здесь можно рассчитывать только на эффект впрыска воды (пара) и рециркуляцию дымовых газов (хотя и это подвергается многими сомнению).

Из других технологических приемов снижения NO_x в случае сжигания твердого топлива в слое можно назвать применение специального брикетного топлива с добавками оксидов кальция и железа (снижение содержания NO_x на 40-60 %).

Эффективными могут оказаться технологические приемы, способствующие интенсификации теплоотдачи от факела (зоны горения). Установлено например, что с увеличением коэффициента теплоотдачи от зоны горения в 2 раза (при α = 1) выход NO снижается на 65 %, а при α > 1 – еще значительней. Этого можно добиться следующими способами:

– рациональной установкой горелок в топочном пространстве;

– совершенствованием профилей топочного объема и всего котельного агрегата;

– интенсификацией теплоотвода в топочном объеме.

Последнего добиваются к примеру посредством установки двухсветных экранов (или другими способами, обеспечивающими дробление зоны горения и ее эффективное охлаждение), применением промежуточных излучателей (неэкранированные участки топки или специальные излучатели из огнеупорных материалов или жаростойких материалов, введенные в факел – снижение NO_x может быть на 15-25 %; вводимые в факел порошки инертного материала).

Очень хорошие возможности для сокращения выбросов NO_x (на 50-70 %) создаются при сжигании твердого топлива в «кипящем» слое. Благодаря снижению ьемпературы в слое топлива до 760-900 °С, путем ввода в него поверхностей нагрева, в данном случае заметно уменьшается образование «термических» NO_x.

Применение кипящего слоя возможно и при сжигании газа. В этом случае кипящий слой создается за счет инертного материала определенных фракций (шамот, корунд и т.д.). Снижение в этом случае концентраций NO_x видно из рисунка 7.4.

1 – горение в факеле; 2 – горение в кипящем слое (шамот, фр. 2,0-2,5 мм); 3 – горение в кипящем слое (корунд, фр. 0,5-1,0 мм)

Рисунок 7.4 – Влияние содержания горючей смеси на выход NO_x

Для борьбы с выбросами СО и других продуктов неполного сгорания топлива в котлах обычно не применяют аппаратурные методы и ограничиваются только технологическими. Суть последних сводится к улучшению смесеобразования при сжигании топлива (это особенно важно при ступенчатом сжигании с общим снижением α). При слоевом сжигании топлива наиболее эффективно (с точки зрения полноты горения), как уже указывалось, применение механизированных топок (для механизированных топок количество СО по расчету в 2,5-3 раза ниже, чем для ручных), сортового или окомкованного топлива (брикеты, гранулы) и правильная эксплуатация систем «острого» дутья и возврата уноса.