CC BY
401
пренебрегать радиальным градиентом температур, так как это приводит к значительным погрешностям в определении времени их прогревания до заданных температур (до 80%).
Чем иыше начальная температура теплоносителя, тем больше разница между температурами прогрева частиц мелких и крупных фракций. Так, например, при начальной температуре теплоносителя Т=3000 К частица полидисперсного материала размером 5 мкм, при длине реакционной зоны 0,5 метра и скорости потока 100 м/с нагревается до Т- 2128 К, а частица 100 мкм, — только до 1684 К. Причем время прогрева мелких частиц приблизительно на два порядка меньше времени прогрева крупных частиц.
Согласно расчетам, для достижения температур разложения циркона »ы составляющие его окислы (ZiOj и SiOj) 2200 + 2500 К. процесс следует проводи ть при длине реакционной зоны 0,7 м, скорости потока 45 м/с с температурой 4800 К.
Библиографический список
1. Кочетоп И В , Повгон В.Г.. Поллк Л С., Словсцкий Д И Плдомохимические процессы. — М Наука. 1979. — 32f»c
2. Туманов 10.11. Электротермические реакции и современ ной химической технологии и м<*т,іллургнн — М.: Экергокэдат, 1981. - 230 с.
3. Сурис Л Л Плалмохимические процессы и аппараты -М.: Химии. ІЯЯ9. - 304с.
ДАНИЛОВА Ольга Тимофеевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры средств связи и информационной безопасности.
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]
Статья поступил* п редакцию 30.00.2009 г.
© О. Т. Данилова
УДК 421.311.22 А. Г. МИХАЙЛОВ
Омский государственный технический университет
ВОПРОСЫ ОБРАЗОВАНИЯ ОКСИДОВ АЗОТА ПРИ СЖИГАНИИ ГАЗООБРАЗНЫХ И ЖИДКИХ ТОПЛИВ
Рассмотрены вопросы образования оксидов азота при горении органического топлива, изложенные в отечественной и зарубежной литературе за последние годы.
Кпючевые слова: горение, оксиды азота, термический, быстрый, топпианый.
Крупнейшими загрязнителями атмосферы являются продукты сгорании тепловых электрических станций и котельных |1, 2|. При сжигании органических топлив в атмосферу с дымовыми газами котлов попадает большое количество токсичных ве-ществ, таких как оксиды азота и серы, зола и т.д. В настоящее время в теплоэнергетике России доли природного газа и мазу та составляет более 73 % от всего сжигаемого органического топлива.
Основным токсичным компонентом, образующимся при сжигании природного газа и мазута нтопках паровых и водогрейных котлов, являются оксиды азота N0, Оксиды азота оказывают негативное воз-дейа вне на здоровье людей, в частности на органы дыхания. И хотя количество оксидов азота, образующихся естественным путем, намного превышает выбросы от результатов человеческой деятельности, необходимо учитывать, что антропогенные выбросы оксидов азота сосредоточены в местах хозяйственной деятельности человека. Поэтому концентрации N0, в городских районах выше естественной фоновой концентрации.
При сжигании орг анических топлив в топках ко тлов азт, содержащийся в топливе и воздухе, взаимодействуя с кислородом, образует оксиды: NO=NO+
+N0/+NJ0. Основная доля образовавшихся в продуктах сгорания паровых и водогрейных котлов Л/О, (95...99%) приходится на монооксид (оксид! азота /VО. Диоксид ЫО: и гемиоксид /У..О азота образуются в значительно меньших количествах.
Образование монооксида (оксида) азота при сжигании органических топлив происходит как за счет окисления азо та воздуха Л> „так и за счет окисления азота, содержащегося в топливе. В настоящее время известны три механизма, по которым происходит образование оксидов азота; термический, быстрый и топливный. При образовании термических и быстрых Л/О — источником азота является воздух, а в случае образования топливных Л/О азотсодержащие составляющие-топлива.
Механизмобразова!гня термических оксидов азота был предложен Я. 5. Зельдовичем и включаетследу-ющие реакции:
O + N, N+O,
NO+N. ■ NO + О.
Позднее он был дополнен реакцией атомарного азота с гидроксилом и получил название расширенного механизма Я. Г». Зельдовича:
OH+N —> NO+H.
Реакции обра ювапия термических Л/О характеризуются высокой энергией активации, поэтому образование оксидов азота происходит в области высоких температур, превышающих 1800 К. Концентрация термических N0 интенсивно возрастает от начала зоны трения и достигает наибольших значений непосредственно за зоной максимальных температур. Далее но длине факела концентрация оксидов азота практически не изменяется. Выражения для констант скоростей каждой из грех реакций представлены в работе «ANSYS CFX-Solver. Theory Guide» и выглядят следующим образом:
*,4.8-,0"Ц -Щ
*г=(б.4 10ч)ехр(-^^. к, =3.0 10".
Образование термических NO определяют следу-юіцне основные факторы: температура в зоне трения, коэффициент избытка воздуха и время пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур. Количество этого компонеігта 5^, определяется выражением:
SN().il\ftmir) ~ ^vo^t.V/лчііІФ ]•
^■1 fir/mol = 2/t,,
где wm- молекулярная масса термического NO, (0|. |Л/.| - мольные концен трации кислорода и азота.
Исследования но сжиганию углеводородных топлив, проведенные Фенимором 111. показали, что во фронте пламени за весьма короткий промежуток времени происходит образование оксидов азота по механизму, отличному от предложенного Я, В. Зельдовичем. Обнаруженный оксид азота был назван быстрым из»за доста точно большой скорости его образования в корневой части факела. При этом вблизи зоны горения наблюдались значительные количества цианида водорода HCN. что объясняется реагированием молекулярного азота с углеводородными радикалами:
СН + Nj -> HCN + N.
HCN + О, -► NO +...
Реакции образования быстрых оксидов NO протекают достаточно энергично при температурах
1200... 1600 К, когда образование термических оксидов азота практически не происходит.
Количество этого компонента SNO определяется выражением согласно «ANSYS OX-SoIvcr Theory Guide»:
S v e l°J J [<V = I ,'Uel f~) .
^Oiumpt ~( — "^A prompt ^
где и Ws обозначают молярные массы NO и смеси, Л1т„.л - число Аррениуса. Приведенные формулы ми вычисления скоростей реакций применимы только к ламинарным течениям. В турбулентных системах колебания параметров могут оказать доминирующее влияние на скорость формирования NO.
В этом случае для расчетов используются статистические методы.
Доля быстрых оксидов азота в суммарном выбросе Л/Ол, образующихся в энергетических котлах, незначительна и, как правило, не превышает 10... 15%. Однако в котлах малой мощности с суммарным вы бросом N0 5... 100 ррт доля быстрых оксидов азота может возрасти до 30...50 %.
Азотсодержащие компоненты жидких топлив являются источником образования топливных оксидов азота. Ввиду того что энергия диссоциации связей N—N в 2...4 раза превосходит энергию диссоциации связей C—N и N-14, азотсодержащие компоненты топлива лете переходят в N0, чем молекулярный азот воздуха. Образование топливных оксидов азота происходи т при наличии в зоне реакции доста точного количества кислорода уже при температурах
850... 1100 К.
Механизм образования топливных Л/О до конца не изучен. Согласно опытным данным, основное образование топливных N0 происходит на участке выгорания летучих. Это связано с тем, что азотсодержащие компоненты топлив перед попаданием в зону горения подвергаются термическому разложению. Образование топливных оксидов азота происходит в основном на стадии выгорания летучих за счет азотсодержащих соединений с малой молекулярной массой, таких как Л/Мг I^CN, CN.
Кроме того, на выход топливных оксидов азота заметное влияние оказывает состав сжигаемого топлива.
При сжигании природного газа топливный оксид азота, естественно, отсутствует. Однако в горючих технических газах концентрация примесей, содержащих связанный азот, может достигать 0,1 %. Сжигание таких газов приведет к образованию топливных Л/О.
Содержание азота в мазуте зависит как от марки нефти, из которой получен мазут, так и отособеинос-тей технологического процесса производства мазута. В большинстве мазутов, сжигаемых на электростанциях России, доля азота составляет 0,25...0,35 % массы топлива.
При традиционном факельном сжигании топлив в топках паровых и водогрейных котлов концентрации диоксида азота Л'Огпо сравнению с монооксидом азота, как правило, малы и. согласно опытным данным, обычно составляют от 0...7 до 20...30 ррт.
Экспериментальные и расчетные исследования выявили, что образование диоксида азота происходит в двух зонах: предпламенной и нослепламенной. Образовавшийся в первой зоне Л/О,полностью разлагается. В то же время быстрое перемешивание горячих и холодных областей в турбулентном пламени может создать условия для быстрого замораживания Л/О.* что приводит к появлению значительных концентраций диоксида азота в холодных зонах потока Образование Л/О,в нослепламенной зоне происходит в верхней части топки и горизонтальном газоходе при температуре больше 900... 1000 К.
Гемиоксидазота N]0, образующийся в процессе сжигания топлив, является кратковременным промежуточным веществом и практически отсутствует в уходящих газах паровых и водогрейных котлов.
В нас тоящее время для подавления оксидов азота могут быть использованы мероприятия на разных этапах технологического процесса: на стадии подготовки топлива, на стадии сжигания топлива и на ста дни охлаждения продуктов сгорания.
Для газомазутных котлов на стадии подготовки топлива возможно применение только высокогемпе-
рятурного подогрева мазута. Экспериментальные исследования показали, что при предварительном подогреве мазута до 250 "С снижение конце>гграции N0, достигает -10 % по сравнению с нормальной температурой подогрева - 130*С При подогреве мазута до 170 'С, наоборот, происходит увеличение выхода NОм. Это связано с тем. что при подогреве мазута происходит интенсификация его горения - увеличение температуры и уменьшение времени пребывания в зоне горения. Очевидно, что при возрастании концентрации N0' превалирующим является увеличение температуры, а при снижении — уменьшение времени пребывании
В настоящее время разработано несколько методов подавления оксидоп азога на стадии охлаждения продуктов сгорания |1). 11аиболсе перспективными признаны селективное каталитическое восстановление оксидов азота аммиаком на катализаторах (СКВ) и селективное некаталитическое восстановление оксидов азота аммиаком (С11КВ). Степень очистки СНКВсоставляет 50...60 %, а СКВ — свыше 90 %. Данные технологии в связи с их высокой СТОИМОСТЬЮ разрабаллваются главным образом применительно к паровым котлам большой мощности, в первую очередь пылеугольны м. для которых реализация технологических методов подавления образования оксидоп азота в процессе сжигания топлив сталкивается с наибольшими трудностями.
Наибольшее применение при использовании в качестве топлива природного газа и мазута нашли ме тоды снижения выбросов оксидов азота на стадии сжигания топлива. Это объясняется тем, что на факторы, определяющие выход оксидов азота (температура в зоне горения, коэффициент избытка воздуха и время пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур), легко оказывать влияние различными технологическими (внутритопочными) мероприятиями, добиваясь тем самым существенного снижения выхода N0,. На данный момент накоплен большой опыт внедрения подобных мероприятий на различных газомазутных котлах. Эти методы сличаются по способам воздействия на механизм образования Л/О, и имеют различную эффективность.
Одним из наиболее распространенных и легко реализуемых режимных мероприятий, направленных на уменьшение выбросов оксидов азота, является снижение избытка воздуха в топке. В результате уменьшения содержания кислорода в факеле происходи 1 подавление образования как термических, так и топливных N0,. и поэтому данное мероприятие может бы ть применено при сжигании любых видов органического топлива.
Одним из наиболее эффективных технологических мероприятий является рециркуляция продуктов сгорания. Ввод газов рециркуляции в топочную камеру обеспечивает снижение температуры факела и выравнивание температурных полей. Коэффициент избытка воздуха в газах рециркуляции за счет при-сосов холодного воздуха но газовому тракту котла выше, чем в гоночной камере. Поэтому при использовании рециркуляции избытки воздуха в зоне активного горения несколько возрастают. При этом, однако, за счет разбавления инертными продуктами сгорания реальные концентрации кислорода и топлива в зоне реакции уменьшаются. В результате происходит интенсивное подавление образования термических оксидов азота Выход же топливных Л/О, снижается незначительно — только благодаря снижению действующих концентраций. Поэтому эффект снижении выхода оксидов азота при органи-
зации рециркуляции газов при прочих равных условиях, как правило, несколько выше при сжигании природного газа, чем при сжигании мазута. В настоящее время большинство действующих и все новые газомазутные котлы используют рециркуляцию в ка честве эффективного внутритоночиого мероприятия.
Для случая, когда количество доступного кислорода недостаточно, чтобы окислить всё топливо, избыточное топливо может при вести к сокращению Л/О («ANSYS CFX-Solver. Theory Guide»):
NO + vrFuet + vntCOf ч v„^H,0.
В целом, эго общее предс тавление. Но очевидно, что увеличение доли рециркуляции приводи! к уменьшению выбросов NO,, однако существенное подавление образования оксидов азота имеет место в основном при подаче газов рециркуляции в количестве
20...22 %. Дальнейшее повышение степени рециркуляции приводит к незначительному дополнительному снижению выхода NO,.
Рассмотрим технические вопросы снижения выбросов оксидовазота (11. Одним из возможных путей уменьшения выбросов данного соединения при ежи гании природного газа и мазута является впрыск влаги в зону горения Впрыск влаги в виде воды или водяного пара подавляет в основном образование термических оксидов азота и в значительно меньшей степени влияет на выход топливных NO. Поэтому впрыск влаги используется в виде природоохранного мероприятия только при сжигании газа и мазуга
Подавление образования NO происходит в результате снижения температуры в зоне горениятоплива и разбавления действующих концентраций реагентов. Причем первый фактор имеет превалирующее влияние на уменьшение образования оксидов азота. Поэтому для достижения наилучшего эффекта впрыск влаги следует осуществлять непосредственно в ядро горения (так называемый локальный дозированный впрыск). Очевидно, что снижение выбросов NO при подаче в зону активного горения воды будет заметно выше за счет скрытой теплоты парообразования, чем при подаче такого же количества пара При этом необходимо обеспечи ть основное испарение капель воды непосредственно в зоне максимальных температур. С этой целью для подачи воды используются форсунки с более грубым распылом, обеспечивающие диаметр водяных капель в диапазоне 120...280 мкм.
Одним из наиболее эффективных и универсальных технологических мероприятий, подавляющих эмиссию оксидов азота при сжигании всех видов топлива, является двухступенчатое сжигание. Двухступенчатым называется такой нетрадиционный способ сжигания топлив, когда через основные горелки в топочную камеру подается топливо с недостатком воздуха («<1). а остальная (необходимая для полного сгорания топлива) часть воздуха подается далее но факелу через специальные сопла, шлицы или отключенные по топливу горелки верхних ярусов. Таким образом, основной принцип реализации ступенчатого сжигания заключается в пространственном разделении в объеме топочной камеры двух основных процессов (ступеней), влияющих на образование оксидов азота в факеле:
- воспламенение и сгорание основной части топлива н среде с недостатком кислорода (обычно при о*,,,** 0,8...0,95);
— подача оставшегося воздуха (как правило.
~ 15 . 25%). смешение с продук тами сгорания из
*
105
jHHiVieoMHmvw и |ии10<и:>0митул мог «« с «и «ином илнкмм им»оио
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ МСГНИК м* з СМ! 3009
первой ступени и догорание тонливовоздуншой смеси.
Уменьшение избытка воздуха на начальном участке факела обеспечивает снижение выхода термических и топливных оксидов азота за счет недоста тка свободного кислорода. Во второй ступени подавление образования N0, происходит вследствие низкого уровня максимальных температур в факеле на стадии дожигания.
Общей проблемой для всех схем организации двухступенчатого сжигания является обеспечение качественного перемешивания подаваемого во вторую ступень воздуха с продуктами неполного сгорания из первой ступени для предупреждения недожога топлива. При этом чем лучше организуется подмешивание вторичного воздуха в основной факел, тем значительней воздействие ступенчатого сжигания на выход оксидов азота. Эта проблема решается за счет рационального выбора места установки сопел и скорости подачи воздушного дутья.
К настоящему времени накоплен большой опыт промышленного использования двухступенчатого сжигания на различных котлах. В зависимости от вида сжигаемого топлива, способа и условий реализации снижение выбросов Л/Од для данного внутрнто-почпого мероприятия может достигать от 15...25%до
40...50 % на пылеугольных и до 60...75 % на газома-
зутных котлах. Э го достаточно часто позволяв г удовлетворить действующие нормативы по выбросам или существенно уменьшит!»остроту' данной проблемы.
Малотоксичные горелки являются одним из паи более перспективных мероприятий, снижающих выбросы оксидов азота. Их действие основано на снижении максимальной температуры и замедленном смешении воздуха с топливом, что достигается за счет конструкции горелки Применение малотоксичных горелок снижает выход оксидов азота на 30...60 % и не приводит к росту эксплуа тационных расходов.
Библиографический список
1. Росликои П.В.. Закиров И.Д. Несгсхномегрическое ежи ганне природного гам и мазута на тепловых электростанциях. -М : МЭИ. 2001 - 144 с.
2 ПлшкопЛТ Основы теории горении: — М.: МЭИ. 2007. -136с
МИХАЙЛОВ Андрей Гаррьенич. кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».
Адрес для переписки: 644050. г. Омск. пр. Мира, 11
Статьи поступила п редакцию 02.09.200!) г.
© /V Г. Михайлов
Информация
Конкурс на получение стипендии Фонда имени Аниты Борг
Доктор Анита Борг (1949 — 2003) посвятила свою жизнь изменению наших представлений о компьютерных технологиях и популяризации работы женщин в сфере информационных технологий.
Компания Google, в рамках инициативы но продвижению идей и мировоззрения Аниты Борг, проводит конкурс на получение стипендии Фонда имени Аниты Борг. Мы полагаем, что этот конкурс станет стимулом для женщин к активному участию и проявлению лидерегва в сфере информа тики и технологий.
Из числа лиц. подавших заявки, будет отобрана группа финалисток, проходящих обучение на получение степени бакалавра, магистра или кандидата наук. В данной группе будут определены победители конкурса. Все победители получат стипендию в размере 7000 евро (или эквивалшгт в другой валюте).
Требования к кандидатам
Если вы:
• студентка 3-го или старших курсов обучения на получение степени бакалавра, или уже проходите обучение на получение степени магистра или кандидата паук (или эквивалентной степени);
• обучаетесь в одном из российских университетов;
• проходите обучение в области компьютерных технологий, теории вычислительной техники, информатики, математики или тесно связанных с ними областях науки;
• имеете высокие показатели успеваемости,
... мы будем рады рассмотреть вашу заявку.
Полная информация представлена на странице tittD://www.flOoglecom/anitaborq-piirope. Заявки принимаются до 1 февраля 2010 года.
1 Источник ин<Ьорм.1Ции: www.racl ш
