Усовершенствование метода трехступенчатого сжигания

Наиболее перспективными в настоящее время являются различные методы стадийного сжигания, особенно трёхступенчатое, благодаря которому можно не только подавить образование оксидов азота, но и восстановить часть NО_х, образовавшихся на начальной стадии горения. Как показали расчёты, восстановление оксидов азота при трёхступенчатом сжигании происходит во второй зоне, где избыток воздуха меньше стехиометрического, в результате взаимодействия молекул NО с углеводороднымиCHi и азотосодержащими RN радикалами.

В связи с этим возникла идея создания в топочном устройстве таких условий, которые бы способствовали более существенному восстановлению образовавшихся на первой стадии горения оксидов азота. Необходимыми для этого условиями являются восстановительная среда и наличие значительного количества радикалов CHi и Rni [23].

Для создания восстановительной зоны при стадийном сжигании топливо вводится в топочную камеру с недостатком воздуха. Однако в этом случае скорости реагирования углеводородных и азотосодержащих радикалов с промежуточными продуктами сгорания, содержащими кислород О, ОН, в 10 – 100 раз выше, чем с оксидом азота.

Подача топлива без окислительной среды или с очень низкими значениями коэффициента избытка воздухав восстановительную зону для интенсификации процесса реагирования СН и RN с NО приведёт к значительному недожогу топлива и шлакованию поверхностей нагрева. Анализ результатов расчёта показал, что вклад реакций с RNi в восстановление NО существенно выше аналогичного вклада реакций с CHi. Поэтому для большего разложения оксидов азота в восстановительной зоне целесообразно обеспечивать присутствие в ней большего количества азотосодержащих радикалов RNi. В зависимости от режимных условий азотосодержащие радикалы в продуктах сгорания реагируют по двум конкурирующим каналам с образованием N₂ и NО:

Причём в продуктах сгорания с избытком окислителя существенный вклад канала N₂ в общий процесс реагирования RNi наблюдается при температурах 1150 – 1350 К.

N₂ канал N₂;

RN_i→NH_i (1.4)

NO канал NO

При более высоких температурах Т > 1500 К преобладает процесс реагирования RNi по каналу NO. В продуктах неполного сгорания при а<1вследствие малого количества промежуточных кислородосодержащих радикалов типа О, ОН процесс восстановления NO в результате реагирования с RNj по каналу N₂ идёт при более высоких температурах Т > 1600 – 1700 К [24]. На практике такие условия могут быть реализованы при двух- и трёхступенчатом сжигании органического топлива. Для этого в промежуток между верхней зоной дожигания и предыдущей восстановительной зоной необходимо ввести азотосодержащее вещество, например аммиак или мочевину.Для проверки эффекта восстановления оксидов азота при ступенчатом сжигании топлива с вводом азотосодержащего вещества в зону горения были проведены расчётно-теоретические исследования на базе математической модели [25]. Последняя включает кинетический механизм из 73 обратимых реакций реагирования 27 химический веществ. Расчёты выполнялись для случаев горения мазута (N^p = 0,3 %) природного газа. Температура горячего воздуха Т_о принималась равной 600 К, температура продуктов сгорания на выходе из топки Т_к = 1523 К, а максимальная температура факела Т_макс достигала 2000 К. В общем случае при сжигании азотосодержащих топлив происходит образование быстрых топливных и термических оксидов азота. Образование последних происходит в области высоких температур и в значительной мере определяется наличием в зону их эмиссии свободного кислорода. Эмиссия быстрых и топливных оксидов азота при неизменном температурном режиме мало зависит от общего коэффициента избытка воздуха и в основном определяется локальными избытками воздуха из-за их образования на начальном участке факела еще до момента достижения максимальных температур и полного расходования 0 г. При снижении избытков воздуха до а = 1 и ниже наблюдается практически полное подавление эмиссии термических NO. Некоторое уменьшение конечного выхода быстрых и топливных NO в результате их разложения наблюдается при а < 0,95.

При отсутствии свободного кислорода в продуктах сгорания ввод NH₃практически всегда приводит к восстановлению NO. Значение восстановления NOсущественно зависит от температуры факела в месте ввода аммиака Твв. При температурах ввода Твв = 1750 – 1800 К степень разложения оксида азотасоставляет 85 – 76 %. Дальнейшее снижение Твв < 1760 К практически не дает дополнительного разложения оксидов азота. Следует отметить, что со снижением температуры факела в месте ввода аммиака Твв происходит увеличение времени протекания реакций восстановления NO. Однако несмотря на разный исходный суммарный уровень быстрых и топливных оксидов азота, их конечный уровень NO_xпосле ввода аммиака при Твв < 1800 К был практически одинаков. Данное явление предстоит еще объяснить.

Таким образом, расчеты подтвердили принципиальную возможность восстановления NО до N₂ в топке котла при ступенчатом сжигании любого органического топлива в результате ввода аммиака в восстановительную зону.

Для обеспечения высокой эффективности предложенного методавводимый в восстановительную зону аммиак необходимо максимально полнее перемешать с продуктами сгорания. Ввиду небольшого расхода аммиака, например, около 150 г/си содержании NО в восстановительной зоне на уровне 450 мг/м³ для пылеугольного котла производительностью 670 т/ч) его удовлетворительное перемешивание можно обеспечить только благодаря подаче с помощью какой-либо среды. В качестве такой транспортирующей среды были рассмотрены воздух, газы рециркуляции и водяной пар.

Подача аммиака с остаточным воздухом во вторую ступень горения увеличивает эмиссию NО по сравнению с обычной двухступенчатой схемой сжигания, хотя конечный выход NО меньше, чем при традиционном факельном сжигании топлива. Этот результат легко объясним, так как присутствие радикалов NH, в зоне высоких температур при наличии свободного молекулярного кислорода приводит к дополнительному образованию оксидов азота.

Расчёты ввода NH₃ с продуктами сгорания мазута при а = 1,05, отобранными из конвективного газохода и содержащими некоторое количество свободного молекулярного кислорода, показали следующее. В зависимости от места ввода NH₃ с газами рециркуляции и количества последних (в расчетах принимались два значения степени рециркуляции R = 5 % и R = 10 %) при двухступенчатом сжигании наблюдались как дополнительная
(на 8 – 10 %) эмиссия NО по сравнению с традиционным ступенчатым сжиганием, так и некоторое (до 20 %) разложение NО т. е. даже небольшое количество свободного кислорода приводит к интенсивному реагированию NH₃ по каналу NО. В указанных условиях выход канала N₂ приблизительно сопоставим с выходом канала NО. В зависимости от того, из какого канала выход больше, в каждом конкретном случае будет наблюдаться прирост или разложение NО по сравнению с обычным двухступенчатым сжиганием.

Следовательно, для организации восстановления образовавшихся оксидов азота ввода NH₃ может быть осуществлен только со средой, в которой отсутствует свободный кислород в значительных количествах. Такими средами являются водяной пар и продукты полного сгорания топливат.е. смесь СО₂, Н₂О, N₂. Количество вводимого с аммиаком водяного пара составляло 5 % топлива, а степень рециркуляции продуктов сгорания СО₂. Н₂О, N₂ равнялась 10 %. Организация ввода аммиака с указанными средами обеспечивает снижение выхода NO по сравнению с классическими способами двух- и трехступенчатого сжигания в 1,5 – 2 раза в зависимости от условий ввода азотосодержащего вещества. Очевидно, что при вводе аммиака в промежуток между заключительной зоной дожигания и восстановительной зоной часть аммиака, особенно при условии а > 1,0, может полностью не прореагироватьк моменту выхода из восстановительной зоны. Подобное явление, наблюдающееся при некаталитическом или каталитическом восстановлении оксидов азота аммиаком и называемое проскоком аммиака,приводит к следующим негативным последствиям. Во-первых, выброс, в атмосферу аммиака, который является токсичным веществом, приводят к загрязнению окружающей среды.

Во-вторых, наличие NH в уходящих газах приводит к образованию бисульфата аммония (NH)SO, который отлагается на поверхности воздухоподогревателя. В отличие от каталитического и некаталитического методов проскок NH из восстановительной зоны в зону дожигания при реализации предлагаемого ступенчатого метода сжигания не вызывает указанных негативных явлений. Попавший в зону дожигания остаточный NH в окислительной среде и при высоких температурах газа Т > 1600 К полностью окислится до NO по реакции (1.5).

Причем количество молей образовавшегося оксида азота будет равно количеству молей аммиака. Таким образом, остаточный в восстановительной зоне NH₃ вызывает некоторое увеличение концентрации NО в зоне дожигания. Поэтому оптимальность различных режимов предлагаемого способа ступенчатого сжигания топлив определяется по условию минимума суммарных концентраций оксидов азота и аммиака на выходе из восстановительной зоны:

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6 H₂O (1.5)

В одном из сечении по длине факела исследовалась эффективность восстановления NО при вводе аммиака одновременно в двух разных сечениях факела (двойной последовательный ввод аммиака). Эффективность различных вариантов ввода NH₃ при ступенчатом сжигании оценивалась по суммарной концентрации NO и NH₃ на выходе из восстановительной зоны.

Эффективность двойного последовательного ввода NH₃ почти во всех рассмотренных вариантах была выше, чем при одинарном вводе аммиака при одинаковом мольном соотношении. В этом случае при примерно равных конечных концентрациях NO на выходе из восстановительной зоны остаточные концентрации NH₃ почти в 5 раз ниже по сравнению с одинарным вводом аммиака.

Следовательно, существует принципиальная возможность существенного снижения выхода NO при ступенчатом сжигании любых органических топлив в результате ввода азотосодержащего вещества в промежуток между восстановительной и заключительной зоной дожигания. Азотосодержащее вещество должно транспортироваться средой, не содержащей свободный кислород. Степень восстановления оксидов азота в зависимости от условий реализации данного метода составляет 70 – 90 %, что сравнимо с эффективностью каталитического и некаталитического методов восстановления оксидов азота. Дополнительным преимуществом предложенного метода является отсутствие «проскока аммиака» и связанных с ним негативных явлений. Кроме того, количество расходуемого при этом аммиака примерно в 2 раза меньше, чем при реализации некаталитического или каталитического способов восстановления NO. Это объясняется меньшим количеством оксидов азота, образующихся при ступенчатом сжигании, по сравнению с традиционным факельным сжиганием топлив. С учетом изложенного стоимость реализации данного метода согласно расчетным оценкам будет в 1,5 – 2 раза ниже стоимости некаталитического метода и не менее чем в 10 – 15 раз ниже стоимости каталитического метода.

Следует отметить, что существуют большие технические трудности при практической реализации данного метода на реальных котлах современных ТЭС. К ним относятся: проблема организации качественного перемешивания азотосодержащего вещества с продуктами сгорания, что практически невозможно сделать на достаточно коротком участке факела, а также значительное влияние неравномерности температур и концентрации газов в сечении факела.