Образование оксидов азота

Исследованиями установлено три основных механизма образования оксидов азота при горении газа: «термические», «быстрые» и «топливные» NO. Образование «термических» NO в основном соответствует разработанной Я.Б. Зельдовичем цепной схеме окисления азота, в которой активными центрами являются радикалы кислорода:

О₂ + М → О + О + М – 494 кДж/моль;

О + N₂ → NО + N – 314 кДж/моль;

N + О₂ → NО + О +134 кДж/моль.

Основное количество «термических» NO образуется при максимальной температуре. В соответствии с термической теорией интенсивность образования NО_Х экспоненциально зависит от температуры зоны горения, линейно – от времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур и в степени 0,5 – от концентрации кислорода в этой зоне. Температура в зоне реакций оказывает решающее влияние на величину равновесной концентрации оксидов азота:

Экспериментальные исследования показали существенное различие между расчётными (теоретическими) и экспериментальными значениями выхода NО. Это объясняется следующими причинами:

- время пребывания реагентов в зоне максимальных температур ниже времени достижения химического равновесия;

- температура в ядре зоны горения ниже теоретической из-за диссоциации и наличия теплообмена излучением.

Вследствие этого выход «термических» NО_Х в топках крупных энергоблоков достигает 0,8 – 1,5 г/м³. В промышленных и отопительных агрегатах, имеющие более низкие значения максимальной температуры и значительный темп охлаждения, выход термических NO составляет 0,1 – 0,2 г/м³. В малых топках термические NO не образуются, а выход NO равный 0,1 – 0,2 г/м³ объясняется «быстрыми» NO.

Наиболее вероятным механизмом образования «быстрых» NO является механизм с участием радикалов СН и СН₂ в реакциях:

СН + N₂ ↔ НСN + N – 8,38 кДж/моль;

2С + N₂ ↔ 2СN – 16,72 кДж/моль;

СН₂ + N₂ ↔ НС + NH – 37,6 кДж/моль.

«Быстрые» NO образуются в начальной области фронта пламени в интервале температур 1000 – 1500 К. Выход «быстрых» NO при горении газа составляет 100 – 120 мг/м³.

«Топливные» NO образуются из азотсодержащихся соединений топлива на начальном участке факела, в области образования «быстрых» NO, до образования «термических» NO. Степень перехода азота топлива в NО_Х составляет 20 – 30 % . Выход топливных NO слабо зависит от температуры. Вид азотсодержащего соединения и содержание кислорода в топливе не оказывают влияние на выход «топливных» NO.

При факельном сжигании газа образование оксида азота происходит по «термическому» и «быстрому» механизму. Оказывает влияние метод сжигания газа. Зависимость выхода NO_Х от коэффициента α имеет максимум в области бедных смесей. Обычно максимум наблюдается при 3% избытке кислорода, что соответствует 15% избытка воздуха. С увеличением или уменьшением α выход NO_Х быстро уменьшается. При диффузионном горении соотношение расходов окислителя и горючего слабо влияет на выход NO. Турбулентность и теплоотдача оказывает сильное влияние на выход NO. С увеличением мощности горелки и размеров топочной камеры выход NO_Х увеличивается.

Вид топлива сказывается на образовании NO_Х через температуру пламени. Например, переход с жидкого топлива на природный газ уменьшает выбросы NO_Х почти в 2 раза, так как молекуле метана присуща высокая прочность связей С – Н. В результате температура горения метана в воздухе примерно на 100 градусов ниже чем у других углеводородов.