Азбука горения

Оксиды азота (Вредные выбросы в продуктах горения)

Монооксид азота (NO) - это бесцветный, без запаха, плохо растворимый в воде газ. Он составляет более 90% от всех оксидов азота, образуемых при высокотемпературном горении. Если концентрация находится в пределах от 10 до 50 ppm. он не является сильно токсичным раздражающим веществом.

Диоксид азота (NO₂ ) - это газ, который заметен даже при небольшой концентрации: он имеет коричневато-красноватый цвет и особый острый запах. При концентрации более 10 ppm. является сильным коррозийным веществом и сильно раздражает носовую полость и глаза. При концентрации более 150 ppm. вызывает бронхит, а свыше 500 ppm. - отек легких, даже если воздействие длилось всего несколько минут.

Монооксид азота NO, который присутствует в городском воздухе, может самопроизвольно переходить в диоксид азота NO₂ при фотохимическом окислении.

Существуют три пути образования оксидов азота, различающиеся по способу происхождения, но не по химическому составу:

• тепловые оксиды азота (тепловые NOx);
• быстрые оксиды азота (быстрые NOx);
• топливные оксиды азота (топливные NOx).

Тепловые оксиды азота, составляющие большинство, образуются при высокой температуре (Т>1500 К) и при условии высокой концентрации кислорода при окислении атмосферного азота в процессе горения. Тепловые оксиды образуются при сжигании газообразного топлива (природный газ и сжиженный нефтяной газ) и топлива, в котором не содержатся вещества, имеющие в своем составе азот

Быстрые оксиды азота образуются при связывании атмосферного азота углеводо­родными частицами (радикалами), которые присутствуют в зоне факела. Этот метод образования оксидов протекает с очень высокой скоростью (отсюда их название; быстрые). Образование быстрых оксидов прежде всего зависит от концентрации радикалов в корневой части факела. При окислительном пламени (горение происходит с избытком кислорода) их вклад незначителен, но при сжигании обогащенных смесей и при низкотемпературном горении их доля может достигать 25% от общего содержания оксидов азота.

Топливные оксиды азота образуются при окислении азотосодержащих веществ, присутствующих в топливе в зоне факела. Концентрация топливных оксидов может достигать значительных размеров, если содержание в топливе азотосодержащих веществ превышает 0,1% от веса. Как правило, это касается только жидкого и твердого топлива.

На рис. 5 показано соотношение между NOx разных типов в зависимости от типа топлива (при стандартных условиях горения):

Доля быстрых оксидов азота более или менее постоянна, в то время как доля топливных оксидов азота увеличивается при горении видов топлива с более высоким молекулярным весом. При этом доля тепловых оксидов азота снижается.

Рисунок 5. Типы NOx для разного топлива

1.4.2.1. Снижение уровня NOx при сжигании газообразного топлива

Содержание тепловых оксидов азота в газообразном топливе достигает 80% от общего количества выбросов. Снизить образование тепловых оксидов азота можно снизив температуру пламени.

Температуру пламени можно снизить различными путями:

1) снижением удельной тепловой нагрузки

Этот метод состоит в уменьшении мощности горения на единицу объёма камеры сгорания. Для этого необходимо "перерассчитать" мощность котла, то есть уменьшить его номинальную тепловую мощность (если это уже действующий котёл) или взять размер камеры сгорания с запасом (при проектировании новых объектов).

2) особой конструкции камеры сгорания

Этот метод состоит в использовании теплогенераторов, камера сгорания которых является не инверсионной, а имеет три хода по тракту дымовых газов. В котлах с инверсионными камерами сгорания дымовые газы при проходе к дымогарным трубам сужают пространство, в котором находится факел, до объёма меньшего, чем сама камера сгорания. Часть лучистой энергии, отражённой от стенок камеры сгорания, передаётся пламени, температура пламени повышается, и увеличивается образование тепловых оксидов азота. Тот же эффект наблюдается в установках с высокой температурой стенок камеры сгорания, например печах или котлах с высокой температурой теплоносителя.

3) предварительным смешиванием воздуха и газа

В обычных условиях системы сжигания настроены таким образом, чтобы работать с избыточным воздухом. Этот избыточный воздух снижает температуру горения ниже адиабатической температуры, а иногда ниже того уровня, при котором начинается образование оксидов азота (1500К)

Пламя является типичной турбулентной средой. В неё подаются два реагента, которые очень трудно равномерно смешать между собой. В результате в пламени создаются зоны с разной стехиометрией

В зонах со стехиометрическими или близкими к ним условиями, значение температуры настолько высоко, что появляются условия для образования тепловых NOx.

С учётом опасности тепловых NOx следует предотвратить появление этих условий или максимально снизить сферу их действий. Неравномерность концентрации газовоздушной смеси позволяют снизить: предварительное смешение газа с воздухом и стабилизация пламени. Это влечёт за собой снижение температуры пламени по всему объёму факела и приближение её к теоретически рассчитанному значению.

Дополнительный положительный эффект может дать равномерное распределение пламени. Лучше, если оно равномерно распределяется по широкой поверхности, не создавая маленьких язычков, внутри которых температура, как правило, более высока.

В качестве примера можно привести горелки с пористой поверхностью (из металла или керамики) или с волокнистой поверхностью, в которой имеются мельчайшие отверстия. Всё это необходимо для того, чтобы как можно аккуратнее смешать перед горением воздух и газ.

Несмотря на то, что в настоящий момент высокая стоимость и конструктивные ограничения препятствуют широкому внедрению этого метода, особенно для горелок большой мощности, он является очень многообещающим для значительного снижения выбросов NOx.

4) ступенчатое сжигание

Оксиды азота образуются быстрее, когда соотношение топлива и поддерживающего горение воздуха приближается к стехиометрическому Для того чтобы снизить скорость образования оксидов азота, можно создать систему горения использующую коэффициент избытка воздуха близкий к идеальному Внутри факела этой системы должны присутствовать зоны с, сильнотличающимся от стехиометрического, соотношением топливо-воздух. Используя аэродинамические характеристики факела и распределение топлива можно создавать чередующиеся зоны с избытком и недостатком воздуха, поддерживая в общем условия близкие к стехиометрическим.

5) рециркуляция продуктов горения

При растворении части дымовых газов в воздухе уменьшается содержание кислорода и понижается температура пламени: поэтому часть вырабатываемой в результате горения энергии немедленно передается инертным веществам, присутствующим в газообразном топливе.

Этот метод даёт очень хорошие результаты при работе с газообразным топливом: пропускаемые продукты горения и смесь поддерживающего горения воздуха и топлива легко смешиваются между собой.

В теплогенераторах малой мощности можно легко организовать рециркуляцию продуктов горения внутри камеры сгорания, благодаря особой конструкции головки горелки. Как правило, на рециркуляцию поступает довольно много продуктов горения (примерно 50%). Благодаря этому, смесь топлива и поддерживающего горение воздуха становится менее эффективной, а температура дымовых газов достаточно высокой (900 - 1000 К).

Рисунок 6. Функциональная схема процесса горения в газовой горелке - Голубое пламя

1 - Воздух для горения; 2 - Подача газообразного топлива; 3 - Струя газообразного топлива: 4 - Зона стабилизации пламени (горение при стехиометрических условиях); 5 - Рециркуляция продуктов горения; 6 - Горение вне стехиометрических условий - смесь воздуха для горения, газа и циркулирующими продуктами горения; 7 - "Холодная" зона пламени.

В теплогенераторах большой мощности, из-за большого сопротивления возникающего на головке горелки, сложно организовать подмес продуктов горения внутри камеры сгорания. Поэтому продукты горения подмешиваются в камеру сгорания из вне.

С помощью дополнительного вентилятора или с помощью вентилятора самой горелки часть продуктов горения забирается на выходе из теплогенератора и подаётся обратно в головку горелки для того, чтобы смешать с воздухом для горения.

Даже если при некоторых обстоятельствах рециркуляция газов внутри камеры сгорания может оказаться недостаточной для достижения очень низкого содержания NOx (данный случай относится к горелкам большой мощности), этот метод можно применять в сочетании со ступенчатым сжиганием, которое было описано выше.

Рисунок 7. Моноблочная горелка серии BGK (дизельное топливо - низкое содержание NOx)

1.4.2.2. Снижение уровня NOx при сжигании жидкого топлива

Основное различие между сжиганием газообразного топлива и сжиганием жидкого топлива, с точки зрения оксидов азота, состоит в том, что в последнем азот находится в виде азотосодержащих соединений. Азот является причиной образования оксидов NOx, которые дают значительный вклад в общее содержание NOx. Принципы образования тепловых и быстрых оксидов азота рассмотренные в предыдущем параграфе, приемлемы и для жидкотопливных горелок.

Что же касается топливных оксидов азота, то в восстановительной среде содержащийся в топливе азот, может переходить не во вредный NOx, а в простой и безопасный молекулярный азот N2. Для этого в некоторых областях факела нужно создать богатые топливом зоны и условия для процесса восстановления. Например, в область горения сначала подается 80% от общего количества поддерживающего горение воздуха вместе со 100% топлива, а затем подаются оставшиеся 20% воздуха для горения (добавочный воздух).

Применительно к горелкам малой и средней мощности бытового и коммерческого назначения этот метод пока проходит этап тестирования. Все эти методы всё ещё находятся в стадии эксперимента на бытовых и коммерческих горелках. А в промышленных горелках эта технология уже вносит свой ценный вклад.