Снижение оксидов

При сжигании в топках котлов угольной пыли, как и при сжигании газового и жидкого топлив, образуются различные оксиды азота, оказывающие вредное влияние на организм человека и животных, что требует снижение оксидов. По данным Я. Б. Зельдовича, скорость образования оксида азота подчиняется следующей закономерности:

где О2, NO и N2 - содержания кислорода, оксида азота и азота в газовой смеси; т - время.

С уменьшением температуры резко снижается равновесная концентрация оксида азота и увеличивается время, необходимое для достижения этой концентрации. Для котлов, имеющих в топочной камере температуру 1400-1500 °С, время пребывания газов в несколько десятков раз меньше времени, необходимого для достижения равновесной концентрации оксида азота. Количество образовавшегося здесь оксида азота достигает 5-15 % равновесного количества. С изменением коэффициента избытка воздуха меняется содержание оксидов азота в продуктах сгорания. Наибольшее их образование происходит при коэффициенте избытка воздуха

где Qpн - теплота сгорания топлива; Vов - теоретический расход воздуха; Тмакс - теоретическая температура горения; Е - энергия активации; ст - средняя теплоемкость продуктов сгорания. Например, при сжигании АШ максимальное количество оксидов азота имеет место при а = 1,18.

Условиями, способствующими образованию и сохранению оксидов азота, являются высокие начальные концентрации азота и свободного кислорода в газовой смеси, высокая температура смеси, увеличение времени пребывания смеси при высокой температуре, быстрое охлаждение смеси. При сжигании АШ в топках котлов содержание оксидов азота составляет 0,25-1 г/м3 и более. Снижение оксидов азота в топках котлов связано с быстрым охлаждением продуктов сгорания, протекающим со скоростью 500-2000 °С. Степень перехода малоактивного оксида азота NО в ядовитый диоксид азота NO3 зависит в основном от температуры и парциального давления кислорода. При температуре выше 800 °С равновесная смесь будет состоять преимущественно из оксида азота, а при температуре ниже 200 °С - из диоксида азота. В пределах 200-800°С возможно существование оксида и диоксида азота. В условиях работы котлов с учетом времени пребывания продуктов сгорания в газоходах равновесного состояния для газа не обеспечивается. Практически продукты сгорания перед дымовой трубой содержат 98-99 % оксида и 1-2 % диоксида азота.

Ориентировочно снижение оксидов азота в продуктах сгорания можно определить по эмпирической зависимости И. Я. Сигала:

где СNO2 - суммарная концентрация оксидов азота (в пересчете на диоксид азота), г/м3; А - коэффициент, принимаемый равным 0,184 при определении qv в кВт/м3; Dэ - эквивалентный диаметр топочной камеры, м; qv - объемная плотность тепловыделения в топке, кВт/м3; ат - коэффициент избытка воздуха в топке (горелке). Зависимость (8.6) справедлива для малых значений ат (1,03-1,16). При ат>1,2 концентрация NО2 становится обратно пропорциональной ат.

Снижение оксидов азота в уходящих газах котлов при сжигании топлива достигается снижением температуры в топке (особенно локальных ее значений), сжиганием топлива с минимальными а и др. Для этого применяют двухступенчатое сжигание топлива, используют вместо вихревых прямоточные горелки, дающие ухудшенное смесеобразование, применяют рециркуляцию газов. Уменьшение содержания оксидов азота в газах обеспечивается также при применении топок с пересекающимися струями, впрыском воды в зону интенсивного горения и др.

При сжигании твердого топлива содержащаяся в нем сера выделяется в основном в виде SО2 и в значительно меньших количествах в виде SO3. Образование SO3, как и при сжигании жидкого топлива, способствует наличие в продуктах сгорания избыточного кислорода. Серная кислота, образующаяся при взаимодействии SO3 с водяными парами, вызывает коррозию низкотемпературных поверхностей нагрева. Содержание серного ангидрида существенно повышает температуру точки росы (до 140 °С), что ограничивает глубину охлаждения газов и снижает экономичность котельной установки. Снижение оксидов в продуктах сгорания серного ангидрида при сжигании твердого топлива ведется с относительно небольшим избытком воздуха. При совместном присутствии в атмосферном воздухе веществ, обладающих суммарным вредным воздействием на человека (NО2, SО2, SО3) NH3 и др.), сумма их относительных концентраций не должна превышать единицы:

 

где 0,085; 0,5; 0,25; 0,2 - соответственно предельно допустимые концентрации (ПДК) в атмосферном воздухе для NО2, SО2, SO3, NH3, мг/м3. Установлены также нормативы предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ. Мероприятия по защите поверхностей нагрева от коррозии и улавливанию оксидов азота и серы рассматриваются в гл. 26.