Подача воды или пара в зону горения

Влияние добавки воды в зону горения изучалось в связи с проблемой сжигания водотопливных суспензий – обводненного мазута и водоугольных суспензий (ВУС), а также в связи с проблемой снижения выброса оксидов азота. На состоявшемся в октябре 1982 г. в Токио совещании в ряде докладов приведены данные о влиянии замены топлив суспензиями на образование NO_x. При использовании жидкого топлива в виде водотопливных эмульсий содержание NO_х в дымовых газах обычно снижается на 20 – 30 %, значительно также снижается содержание сажи. Однако при добавке в мазут 10 % воды КПД котла снижается на 0,7 %.

Выводы о влиянии ввода воды или водяного пара, полученные в нескольких проведенных исследованиях, можно разделить на две группы. Часть исследователей утверждает, что даже значительное количество водяных паров не оказывает существенного влияния на выход оксидов азота, другие, наоборот, указывают на эффективность этого метода. Так, согласно некоторым данным при впрыске воды в топочные устройства котлов при сжигании угля, мазута и газа снижение выхода оксидов азота не превышает 10 %. При впрыске воды в количестве 110 % от расхода топлива (или около 14 % от расхода воздуха) в периферийную часть факела в топку, оснащенную мазутной форсункой производительностью 29 Гкал/ч, содержание оксидов азота в продуктах сгорания снизилось всего на 22 %.

Очевидно, что когда водяной пар или вода вводятся за зоной образования оксидов азота, они вообще не должны оказывать влияние на образование NO. Если же они вводятся в топливовоздушную смесь, они должны влиять на процесс горения и образование NO не в меньшей степени, чем аналогичное по объему и теплосодержанию количество рециркулирующих газов.

Известно, что водяные пары влияют на скорость распространения пламени в углеводородных пламенях, следовательно, они могут оказывать влияние на кинетику образования оксида азота и даже при подаче в ядро зоны горения в малом количестве заметно влиять на выход оксидов.

Исследования П. Сингха, выполненные на опытной камере сгорания газовой турбины, показали, что впрыск воды в ядро зоны горения жидкого топлива позволяет снизить образование оксида азота и сажи, а добавление пара к дутьевому воздуху снижает образование оксида азота, но увеличивает выброс оксида углерода и углеводородов. При впрыске воды в количестве 50 % от массы жидкого топлива (6,5 % от расхода воздуха) удаётся снизить выход оксидов азота в 2 раза, при впрыске 160 % воды – примерно в 6 раз. Впрыск в топку 80 кг воды на 1 Гкал (9 % от массы воздуха) сжигаемого природного газа снижает выброс оксидов азота с 0,66 до 0,22 г/м³, т.е. в 3 раза. Таким образом, введение водяного пара и воды, с точки зрения снижения выхода оксидов азота, является перспективным. Однако следует иметь в виду, что ввод воды или пара в количестве более 5 – 6 % от массы подаваемого в горелки воздуха может оказать отрицательное влияние на полноту сгорания топлива и показатели работы котла. Например, при вводе 12 % пара (по отношению к воздуху) в камеру сгорания ГТУ выход оксида углерода возрастал с 0,015 до 0,030 %, а углеводородов с 0,001 до 0,0022 %. Следует отметить, что подача 9 – 10 % пара в котёл приводит к снижению его КПД на 4 – 5 %.

Ввод водяного пара интенсифицирует реакции горения и, прежде всего, дожигание СО за счёт добавочного количества гидроксильного радикала (ОН)

H₂O OH + H; (1.6)

CO + OH CO₂ + H; (1.7)

По-видимому, некоторое снижение образования NO при подаче пара или воды в зону горения можно объяснить:

а) снижением максимальной температуры в зоне горения;

б) уменьшением времени пребывания в зоне горения за счёт интенсификации горения СО по реакции (1.7);

в) расходованием гидроксильного радикала в реакции (1.6);

Подача пара или воды в зону горения с целью снижения образования оксидов азота вызывает значительный интерес исследователей, главным образом, в связи со следующими обстоятельствами:

Сравнительно малым расходом среды и отсутствием необходимости строительства трубопроводов большого диаметра;

Положительным воздействием не только на снижение оксидов азота, но и на догорание в факеле оксида углерода и 3,4 – бензапирена;

Возможностью использования при сжигании твёрдых топлив.

Впрыск влаги или пара в топку как средство снижения выбросов NO_х отличается простотой, лёгкостью регулирования и низкими капитальными затратами. На газомазутных котлах он позволяет снизить выбросы NO_x на 20 – 30 %, но требует затрат теплоты на парообразование и вызывает увеличение потерь с уходящими газами. При сжигании твёрдого топлива результаты очень незначительные. Следует отметить, что эффективность подавления оксидов азота очень сильно зависит от способа подачи воды в зону горения.