Файл: Природа ВЕЧЕРНИКИ.doc

Возможность переноса вредных веществ на большие расстояния превращают эту проблему в интернациональную, заставляет принимать жесткие нормативы по ограничению выбросов. В настоящее время в США, ФРГ, Англии, Финляндии, России, Японии и других развитых странах действуют санитарно-гигиенические нормы ПДК по оксидам азота и многим другим веществам, а также нормативы по концентрациям оксидов азота в дымовых газах для котлов разной мощности при сжигании различных видов топлив. О действующих в России нормах ПДК по оксидам азота сказано выше. Кроме этого, в России при одновременном присутствии в атмосферном воздухе вредных веществ, обладающих однонаправленным действием, действует правило суммирования вредного воздействия, значительно ужесточающее санитарное законодательство, т.е. необходимо выполнение условия:

C _i / ПДК _i  1,

где C _i и ПДК _i - приземные и предельно допустимые концентрации вредных веществ, обладающих однонаправленным действием. Из вредных выбросов ТЭС однонаправленным действием обладают SO и NO.

Согласно принятым в России нормативам концентрация оксидов азота в сухих дымовых газах энергетических котлов (при Q_T>300 Мвт и =1,4) при сжигании газа не должна превышать 125 мг/м³ , при сжигании мазута 250-300 мг/м³ , 300- 370 мг/м³ при сжигании бурых и 350-540, 570-700 каменных углей при твердом и жидком шлакоудалении соответственно.

Основными источниками антропогенных выбросов NO_X являются топливосжигающие установки ТЭС (ТЭЦ) и автомобильный транспорт, дающие 80-90 % выбросов оксидов азота, а остальное приходится на технологические выбросы других отраслей промышленности. Доля выбросов автомобильного транспорта постоянно растет из-за резкого увеличения числа автомобилей. Но и доля энергетики остается также весьма значительной. При этом существенный вклад в этот выброс дают крупные котлы СКД. Снизить концентрации оксидов азота в дымовых газах этих котлов до нормируемых величин задача сложная. Ниже будет показано, что она достаточно успешно решается (без больших капитальных затрат) применением методов рациональной организации процессов сжигания топлив.

Для разработки путей борьбы с образованием и выбросами оксидов азота не только на котлах находящихся в эксплуатации, но и на проектируемом оборудовании очень важны исследования механизмов образования NO_X . В результате работ отечественных и зарубежных ученых выявлены и к настоящему времени довольно хорошо изучены три основных механизма образования оксидов азота: термических, быстрых и топливных NO_X .

Термические оксиды азота теоретически и экспериментально были изучены Я.Б. Зельдовичем, П.Я. Садовниковым, Д.А. Франк-Каменецким, Н.Н. Семеновым [4]. Согласно теории, получившей название термической теории Зельдовича, при горении бедных и близких к стехиометрии топливовоздушных смесей основные реакции, управляющие образованием NO из молекулярного азота, соответствуют цепной схеме:

O₂ + M = O + O + M - зарождение и обрыв цепи (6)

O + N₂ = NO + N - разветвление (7)

N + O₂ = NO + O цепи (8)

Брутто реакция образования NO может быть записана в виде:

O₂ + N₂ = 2 NO. (9)

В работе [5] сделан вывод о существенном вкладе в образование NO реакции: N + OH = NO +H. (10)

Основываясь на экспериментальных наблюдениях, авторы [4] пришли к выводу, что скорость образования NO много меньше скорости горения и что основная часть NO образуется после завершения горения, когда повышение температуры приводит к диссоциации молекулярного кислорода.

Из-за высокой энергии активации основное количество термических оксидов азота образуется в узком диапазоне температур [Т_МАКС - (Т_МАКС -60 К)] в зоне активного горения-ЗАГ (при Т=18001900 К). Время достижения равновесной концентрации при Т=1900 К равно 4 с (с уменьшением Т оно увеличивается по экспоненциальному закону), что значительно выше времени пребывания продуктов сгорания в зоне генерации термических NO_X . Отсюда следует, что в топках котлов равновесные концентрации не достигаются, а C_NO зависит от кинетики химических реакций. Концентрация NO интенсивно возрастает от начала зоны горения, достигая наибольшего значения непосредственно за зоной максимальных температур. В дальнейшем концентрация NO практически не меняется из-за замораживания оксидов азота по всей длине факела горения (из-за высокого темпа охлаждения продуктов сгорания 10³ -10⁵ К/c). Таким образом, основными факторами, влияющими на выход термических оксидов азота, являются: максимальная температура в зоне генерации NO_X (в зоне активного горения), концентрация избыточного кислорода и время пребывания продуктов сгорания в этой зоне. Поэтому режимно-технологические мероприятия (методы) снижения образования термических NO_X основаны на воздействии на один или несколько этих факторов в зоне максимальной генерации NO_X или создании специальных условий в факеле горения, приводящих к восстановлению образовавшихся оксидов азота, как это делается при ступенчатом (трехступенчатом) сжигании топлив. В работе [6], посвященной разработке инженерной методики расчета выбросов NO_X , вместо Т_{МАКС (ЗАГ)}, расчет которой сложен и неоднозначен, предложено использовать отраженный тепловой поток q _{ОТР (ЗАГ)}. Эта характеристика вместе со средне интегральной температурой продуктов сгорания, временем их пребывания в ЗАГ и коэффициентом избытка воздуха по мнению авторов [6] полностью определяет выход оксидов азота при сжигании газо-мазутных топлив в топках паровых и водогрейных котлов.

Быстрые оксиды азота образуются в узкой зоне фронта пламени углеводородных топлив в результате аномально быстрых реакций:

N₂ + CH = HCN + N, (11)

N + OH = NO + H. (12)

Эти реакции активно протекают уже при температуре около 1300 С, когда образование термических NO_X практически еще не происходит. Механизм образования быстрых оксидов азота был предложен Фенимором [5].

Концентрация быстрой NO имеет экстремальный характер от  и при сжигании природного газа может составить 7090 мг/м³. С этими величинами приходится считаться при разработке мероприятий по подавлению образования NO_X с целью достижения нормируемых величин.

Образование топливных оксидов азота происходит в два этапа: сначала газификация капель мазута или угольных частиц с выделением азотосодержащих соединений типа CN, CHN, NH, NH₂ и др., а затем частичное окисление этих соединений по реакции:

RN + O₂ = NO + RO. (13)

Топливные оксиды азота (как и быстрые) образуются на начальной стадии факела за промежуток времени гораздо меньший, чем t _(ЗАГ). Из-за малой энергии активации процесс образования NO из азота топлива происходит при относительно низких температурах Т~1100 K. Зависимость выхода топливных оксидов азота от содержания молекулярного кислорода в зоне горения более сильная (близкая к квадратичной). Естественно, что важным фактором является содержание азота в топливе N^T .

Природный газ не содержит азота и при его сгорании топливных оксидов азота не образуется. При сжигании мазута в энергетических котлах доля топливной составляющей оксидов азота относительно невелика. При сжигании угольной пыли в топках с твердым шлакоудалением доля топливных оксидов азота значительно выше (может превышать 90 %) и сильно зависит от содержания азота в топливе и концентрации свободного кислорода. Эмпирическая зависимость для расчета выхода топливных оксидов азота при сжигании угольной пыли имеет вид [7]:

NO=7 10⁵ K₁ ( O₂ )² ( T_M -1025) ^1/3 NO_M, (14)

где О₂ -средне интегральная концентрация кислорода на участке образования

топливных оксидов азота, % объема; T_M -максимальная температура факела, K;

NO_M -предельно возможная концентрация топливных оксидов азота при условии перехода всего азота топлива в NO; K₁ -коэффициент, учитывающий степень метаморфизма угля. Уравнение (16) применимо в интервале температур 1200 К <Т< 1800 К.

Независимо от механизма образования оксидов азота практически применяемые в настоящее время методы снижения выбросов NO_X в атмосферу можно разделить на две группы:

-рациональной организации процесса сжигания топлива (режимно-технологические методы);

-очистки дымовых газов от уже образовавшихся оксидов азота (селективное каталитическое и некаталитическое восстановление NO до N₂).

Имеющие наибольшую эффективность (90 % и выше) методы каталитического восстановления NO (см. гл.3) пока не получили широкого промышленного применения в России из-за большой стоимости установок (необходимости вкладывать от 70 до 100 долл. на 1КВт установленной мощности), высоких эксплутационных затрат и трудностей, связанных с установкой оборудования каталитической очистки на действующих ТЭС.

Основной путь, по которому идут отечественные научные и наладочные организации, это применение относительно менее эффективных, но не требующих больших капиталовложений методов первой группы с целью снижения концентрации оксидов азота в дымовых газах котлов ТЭС (ТЭЦ) до нормируемых уровней. Можно констатировать, что на этом пути достигнуты определенные успехи (см. гл. 2).

2. Режимно-технологические методы подавления образования

оксидов азота в топках котлов ТЭС

Режимно-технологические методы подавления образования оксидов азота можно условно разбить на три основные группы:

-основанные на снижении максимальной температуры в зоне горения (рециркуляция дымовых газов, снижение температуры горячего воздуха, ввод добавочной влаги в зону горения, применение двусветных экранов и др.);

-основанные на снижении концентрации окислителя в зоне генерации NОx (сжигание топлива с минимальным избытком воздуха, нестехиометрическое и ступенчатое сжигание, применение горелок с затянутым смесеобразованием и др.);

-специальные методы сжигания (сжигание в кипящем слое, предварительная термическая обработка топлива, применение специальных горелок и др.).

Еще раз подчеркнем, что это условное разбиение, так как многие режимы одновременно влияют на несколько определяющих факторов.

Применение режимных методов на угольных и газомазутных котлах имеет существенно различается. В начале XXI века ожидается увеличение доли твердого топлива в балансе энергоносителей России. Однако в последние десятилетия ΧΧ века в энергетике России наблюдалась обратная картина: увеличивалась доля газообразного и жидкого топлива, а крупные города обеспечиваются энергией в основном за счет сжигания природного газа. Поэтому в настоящее время (особенно для крупных городов) актуальны работы по снижению выхода оксидов азота на газомазутных котлах.

На газомазутных котлах практическое применение получили несколько методов, чаще это сочетание нескольких методов:

-ступенчатого сжигания топлива с рециркуляцией дымовых газов в

зону горения;

-ступенчатого сжигания и рециркуляции дымовых газов с вводом

добавочной влаги в зону горения;

-установка полуподовых горелок (компоновка ТКЗ) в сочетании со ступенча- тым сжиганием и рециркуляцией дымовых газов;

-установка горелок с пониженным выходом оксидов азота (типа горелок двухступенчатого сжигания).

Применение режимно-технологических мероприятий по подавлению образования оксидов азота в топках газомазутных котлов рассмотрим на примере службы этой крупной энергосистемы в тесном сотрудничестве с ведущими научно-исследовательскими и конструкторскими организациями уделяли большое внимание повышению экологических характеристик установленного котельного оборудования. Были разработаны и внедрены различные схемы рециркуляции дымовых газов в топочную камеру, методы ступенчатого сжигания топлива. Проделана большая работа по усовершенствованию горелочных устройств, а также разработаны новые конструкции горелок для котлов различной паропроизводительности. Ниже рассматриваются основные результаты работ по ограничению выбросов оксидов азота [8-14], выполненных ВТИ, ОРГРЭС, СНП "Мосэнергоналадка", МЭИ по заказам ОАО "Мосэнерго".