МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ АЗОТА В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ АЗОТА В ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

Бушуев Андрей Сергеевич

студент, Самарский государственный технический университет,

РФ, г. Самара

METHODS OF REDUCING NITROGEN EMISSIONS IN THERMAL POWER EQUIPMENT

Andrey Bushuev

Student, Samara State Technical University,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

Ежедневно в мире на предприятиях теплоэнергетики сжигаются миллионы тонн горючих полезных ископаемых для удовлетворения нужд населения и промышленности. При этом сотни тысяч тонн вредных веществ выбрасывается в атмосферу, загрязняя среду обитания человека. Наиболее токсичными являются оксиды азота, что обусловливает первоочередную необходимость уменьшения их выбросов в атмосферу. Определяющую роль в снижении выбросов оксидов азота играют режимно-технологические методы, направленные на подавление образования NОх в топках котла и включающие в себя ступенчатое сжигание, нестехиометрическое сжигание, рециркуляцию дымовых газов, впрыск влаги и др. Однако необходимо дальнейшее усовершенствование этих методов, которые позволяют обеспечить нормативные требования к выбросам NОх без существенных потерь в эффективности и надежности работы котельных установок на различных видах топлива.

ABSTRACT

Every day in the world, millions of tons of combustible minerals are burned at thermal power plants to meet the needs of the population and industry. At the same time, hundreds of thousands of tons of harmful substances are released into the atmosphere, polluting the human environment. Nitrogen oxides are the most toxic, which makes it a priority to reduce their emissions into the atmosphere. The determining role in reducing emissions of nitrogen oxides is played by regime-technological methods aimed at suppressing the formation of NOx in the boiler furnaces and including step-by-step combustion, non-stoichiometric combustion, flue gas recirculation, moisture injection, etc. However, it is necessary to further improve these methods, which make it possible to ensure regulatory requirements for NOx emissions without significant losses in the efficiency and reliability of boiler installations on various types of fuel.

Ключевые слова: горение, продукты сгорания, оксид азота, рециркуляция, снижение, газовоздушная смесь, очистка газов.

Keywords: gorenje, combustion products, nitrogen oxide, recirculation, reduction, gas-air mixture, gas purification.

На практике уменьшение выбросов вредных веществ достигается за счёт уменьшения на выходе концентрации оксидов азота, которая в свою очередь достигается путем уменьшения термических (тепловых) оксидов азота путём уменьшения максимальной температуры горения.

Для уменьшения температуры горения прибегают к некоторым следующим способам (методам), таким как:

• Двухстадийное сжигание топлива;
• Рециркуляция продуктов сгорания;
• Подача воды или пара (влаги) в зону горения;
• Сжигание на огнеупорах;
• Очистка продуктов сгорания.

Однако несмотря на такое большое разнообразие методов борьбы с образованием оксидов азота при сжигании углеводородного топлива в технических агрегатах вопросы по уменьшению концентраций вредных веществ, а соответственно и улучшению технического оборудования все равно остаются открытыми для изучения [1].

В качестве анализа вопроса по изучению методов рассмотрим суть каждого метода отдельно, выясним преимущества и недостатки того или иного способа уменьшения концентрации оксидов азота (NO_x) [2].

Двухстадийное сжигание топлива – суть данного метода в том, что процесс горения разделяется на две части (стадии или зоны). В первую зону воздух, предназначенный для горения, подаётся не в полном объёме, а в меньшем чем положено для полного сгорания. Продукты неполного сгорания из первой зоны догорают во второй зоне за счёт вторичного воздуха. Такой способ прямо влияет на максимальную температуру, за счёт чего происходит ее снижение соответственно уменьшается скорость реакции образования оксидов азота NO_x. В зависимости от условий сжигания газа выход оксидов азота может снизиться от 30 до 60%, однако это не максимальный эффект. Например, при совместном проведении данного мероприятия с каким-либо другим, результат может быть еще эффективнее, то есть снижение вредных веществ ещё большим.

Двухстадийное сжигание газа применяется в котельных агрегатах, с многоярусным расположением горелок, в ряде промышленных горелок небольшой мощности и в ряде газогорелочных бытовых приборах (плиты, водонагреватели и т.д.).

Технически двухстадийное сжигание является простым, недорогим и эффективным методом снижения концентрации оксида азота на выходе из агрегата.

Следующим нашим рассматриваемым методом является рециркуляция дымовых газов.

Ввод рециркуляционных продуктов сгорания обратно в зону горения позволяет уменьшить образование оксидов азота. Это воздействие объясняется снижением максимальной температуры за счёт снижения концентрации кислорода в зоне горения факела. Технически дымовые газы при температуре порядка 300 – 350 градусов Цельсия отбираются перед воздухонагревателем или дымососом и подаются обратно в топочную камеру. В данном методе используется параметр r (коэффициент рециркуляции), который характеризует процесс рециркуляции. Коэффициент представляет собой отношение объёма газов, отобранных на рециркуляцию к общему объёму газов и воздуха. С увеличением данного коэффициента концентрация вредных веществ NOx на выходе уменьшается. При r примерно 20% снижение концентрации оксидов азота на выходи можно ожидать примерно на 50%.

У данного метода в ходе использования были обнаружены некоторые недостатки. Одним из таких является необходимость в специальном рециркуляционном дымососе (вентиляторе). Еще одним является увеличение выхода сажи. Однако первый недостаток хорошо на практике решается путем применения газогорелочных устройств с рециркуляцией за счёт эжекционного эффекта. Данный способ не предусматривает наличие дополнительного оборудования. Под понятием эжекции понимается процесс влияния высоконапорных газов на компримирование газов низкого давления.

Несмотря на некоторые недостатки способа применение рециркуляции является одним из самых доступных и довольно эффективным средством снижения образования оксидов азота в топках [3].

Следующим методом подавления образования NO_x при сжигании топлива является подача воды или пара в зону горения. Примерно с 1980-х годов ведётся работа по изучению данного вопроса. И выводы, полученные в результате проведенных исследований, можно разделить на две группы. Одна часть исследователей утверждает, что даже значительное количество влаги не вызовет существенного влияния на выходную концентрацию оксидов азота, а другие, наоборот утверждают на эффективность метода.

Водяные пары влияют на скорость распространения пламени при горении углеводородных топлив, следовательно, может быть оказано влияние на кинетику образования оксида азота и при подаче в центр зоны горения даже в малом количестве положительно влиять на выход оксидов азота.

При высокой температуре водяной пар термически диссоциирует не только на атомарные водород Н₂ и кислород 0₂, но и на молекулярные водород Н и гидроксил ОН.

H₂O-OH+H

где Н – водород, OH – гидроксил.

Так же при вводе водяного пара интенсифицируется реакция горения, прежде всего дожигание СO за счёт образующегося добавочного количества гидроксильного радикала ОН.

СO+OH-CO₂+H

где СO – монооксид углерода (угарный газ), OH – гидроксил, CO₂ – диоксид углерода (углекислый газ), Н – водород.

В ходе опытов различных учёных выявлено, что при незначительных количествах воды она может действовать как катализатор за счёт образования активных радикалов.

H₂O+O- H₂O₂

где H₂O – вода, O – кислород, H₂O₂ – пероксид водорода.

Взаимодействие радикалов происходит с оксидом углерода СО и несгоревшими углеводородами C_nH_m.

H₂O+СO-CO₂+ H₂

где H₂O – вода, СO – монооксид углерода (угарный газ), CO₂ – диоксид углерода (углекислый газ), H₂ – водород.

2H₂O+CH₄-CO₂+ 4H₂

где H₂O  – вода, CH₄  – метан (углеводород), CO₂  – диоксид углерода (углекислый газ), H₂  – водород.

По результату некоторое снижение образования NO при подаче пара или воды в зону горения можно объяснить так:

А) снижение происходит за счёт снижения максимальной температуры в зоне горения;

Б) уменьшение времени пребывания в зоне горения за счёт интенсификации горения CO;

В) Расходование гидроксильного радикала.

Таким образом, ввод влаги в зону горения не только влияет на скорость распространения пламени благодаря активным радикалам, но также и ускоряет превращение CO в CO₂, а на выходе из агрегата снижается концентрация вредных веществ NO_x.

Добавление влаги в топку в качестве способа снижения оксидов азота NOx отличается простотой, лёгкостью регулирования и низкими капитальными затратами и в связи с этими обстоятельствами, представленный способ снижения концентрации оксидов азота вызывает значительный интерес исследователей. Эффективность метода подавления оксидов азота за счёт влаги очень сильно зависит от способа подачи влаги в зону горения.

Четвертым мероприятием является сжигание на огнеупорах. В этом случае сжигание газовоздушной смеси с α = 1,02 – 1,1 происходит около поверхности раскалённых огнеупоров.

Этот метод сжигания газа получил название беспламенное горение. Такое горение реализуется в инфракрасных горелках, в зерновом слое огнеупора, в огнеупорных туннелях и у раскалённой огнеупорной поверхности, излучающей теплоту. В горелках инфракрасного излучения процесс горения локализуется на поверхности керамических излучателей. При сжигании смеси в зернистом слое огнеупора локализация процесса горения осуществляется в зернистой огнеупорной массе. Непосредственно в слое дроблёного огнеупора можно разместить тепловоспринимающие поверхности. Сжигание газовоздушной смеси в огнеупорных туннелях осуществляется в промышленных печах и котлах с высокой полнотой сгорания и при высоком тепловом напряжении туннелей [4].

Различные способы очистки продуктов сгорания от оксидов азота активно исследуются в настоящее время.

Наиболее перспективны сорбционные и восстановительные (каталитические, некаталитические и гибридные) методы очистки газов от оксидов азота.

Сорбционные методы основаны на поглощении NO_x жидкими или твёрдыми поглотителями. В качестве абсорбентов используются растворы соды, извести, едкого натра. Все абсорбционные методы очистки связаны с использованием громоздкого и дорогостоящего оборудования.

Восстановительные методы основаны на восстановлении NOХ до азота газами-восстановителями. В качестве восстановителей используются водород, оксид углерода, аммиак, карбамид, метан и другие углеводороды. При каталитическом восстановлении дополнительно используются катализаторы – металлы платиновой группы и оксиды переходных металлов. Каталитический метод восстановления NO_x получил широкое применение в химической промышленности и автомобильных нейтрализаторах.

Предлагается очищать дымовые газы с помощью озона, коронного разряда и электронно-лучевого метода. Суть последнего метода: отходящие газы облучаются в реакционной зоне электронным пучком. В результате ионно-молекулярных реакций получаются продукты в виде сухого порошка – ценного минерального удобрения. Большой практический интерес представляют разработки, в которых предлагается очищать дымовые газы от оксидов азота продуктами термического разложения карбамида (мочевины). Однако пока очистка уходящих газов в таких установках экономически неприемлема.

Чем же грозит атмосфере сжигание различных углеводородных топлив в технологическом оборудовании, химическом, в автомобильной промышленности? Известны такие последствия загрязнений как: парниковый эффект, кислотные дожди, смог и озоновые дыры. Относительно рассматриваемого вопроса к последствию выбросов оксида азота относится последствие образования кислотных дождей. Они наносят огромный вред сельскому хозяйству, уничтожая значительную часть урожая и снижая продуктивность почвы. Отрицательно влияют на разного рода ограждающие конструкции построек, в том числе и построек из железа и других металлов, которые при контакте с кислотными дождями склонны к коррозии.

Список литературы:

1. Кормилицын В.И. Экологические аспекты сжигания топлива в паровых котлах. М.: Издательство МЭИ, 1998. - 336 с.
2. Технологические методы снижения выбросов NO_x / Богдан Е. В. // Актуальные проблемы энергетики. – 2016. с. 230-233
3. Результаты исследования некоторых методов снижения выбросов оксидов азота на ПГУ-170 Невинномысской ГРЭС / А.Ф. Гаврилов [и др.] // Электрические станции. – 2005. – № 8. – С. 32–37.
4. Анализ эффективности технологических методов снижения выбросов NOx при сжигании углеводородного топлива / Кабишов С.М, Трусова И.А., Ратников П.Э., Менделеев Д.В. // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. – 2013. - №2. – с. 48-53.