Методы оптимизации эффективности котла и снижения уровня выбросов NOx

Термин «NOx» упоминается в нескольких статьях, но многие люди могут не знать, что это такое. NOx (азотные оксиды) — вредный загрязнитель, который выбрасывается при сгорании ископаемых топлив, таких как природный газ или дизельное топливо. Он оказывает весьма разрушительное воздействие на планету и живые существа. Концентрация NOx измеряется в мг/кВт или ppm. Ученые и инженеры рекомендуют использовать метод рециркуляции дымовых газов (РДГ) (FGR) для снижения выбросов этого загрязнителя. В данной статье, этот метод будет более подробно разъяснен.

Понимание NOx и его влияния на окружающую среду

NOx представляет собой азотные оксиды (NO и NO2), образующиеся в процессе сгорания ископаемых топлив, таких как природный газ или дизельное топливо. Этот загрязнитель измеряется в мг/кВт или ppm. NOx, образующийся при сгорании, выбрасывается в окружающую среду через дымовую трубу котла. Он оказывает очень вредное воздействие на глобальное потепление, вызывает кислотный дождь, заболевания и разрушает озоновый слой. «Рециркуляция дымовых газов» подразумевает возвращение продуктов сгорания в новый цикл сгорания с целью снижения выбросов NOx. Научные и практические результаты этого процесса рассматриваются в данной статье, а также предлагаются практические решения.

В исследованиях, проведенных Всемирной организацией здравоохранения в 2015 году, были оценены ежегодные затраты на заболевания и смерти, вызванные загрязнением, в размере 1,6 триллиона долларов в Европейском союзе. Роль NOx, наряду с оксидом углерода, очевидна. Это происходит несмотря на более строгие экологические стандарты в европейских странах по сравнению с странами третьего мира. 26 сентября 2018 года Европейский союз объявил, что количество диоксида азота в водонагревателях не должно превышать 56 мг на киловатт-час потребления топлива из-за вредных эффектов этого загрязнителя. Соответственно, власти Великого Лондона установили правила, в соответствии с которыми максимально допустимый предел выбросов NOx для газовых систем отопления составляет 40 мг/кВт-час. После успешных проектов в ряде стран, таких как Германия и Дания, экологические требования в отношении ограничений по NOx и оксиду углерода стали законом в Парижском соглашении (или Соглашении 2020 года), обязывающем все участвующие страны (включая Иран) улучшить ситуацию с загрязнением к 2020 году. Компания “Packman”, один из ключевых производителей водогрейных и паровых котлов в Иране, прилагает усилия для улучшения воздействия NOx в соответствии с глобальными требованиями по NOx.

Снижение выбросов NOx

NOx выбрасывается различными отраслями, такими как автомобили, приготовление пищи, отопительные системы и так далее. Отопительные системы, работающие на газе, имеют долю в 35% в этом отношении. NOx, образующийся при сгорании природного газа, обычно происходит из трех источников: тепловых NOx, топливных NOx и мгновенных NOx.

Рисунок 1- Источники выбросов NOx в Лондоне

Тепловые  NOx:

Этот процесс происходит при температуре выше 1200°C, в результате окисления азота и воздуха окисления азота и воздуха. Образование NOx, который имеет наибольшую долю в производстве природного газа, зависит от двух факторов: температуры сгорания и времени, в течение которого молекула азота находится при этой температуре. Чем выше температура пламени, тем больше вероятность разрушения молекул азота и, как следствие, образования большего количества термического NOx.

Топливный NOx:

Он образуется, когда азот в топливе находится вблизи воздуха сгорания. Доля топливного NOx не очень высока при использовании природного газа, но она заметна при жидких топливах, таких как дизельное топливо, и твердых топливах, таких как уголь.

Мгновенных NOx:

Этот вид NOx, который образуется на первом этапе сгорания, возникает, когда азот в атмосфере реагирует с кислородными радикалами в воздухе. Кислородный радикал образуется, когда молекула кислорода распадается на два атома кислорода с непарными электронами. Количество этого NOx несущественно по сравнению с двумя другими типами. С учетом этого важным фактором для выбросов NOx при использовании газового топлива является тепловой  NOx. Параметры, такие как количество избыточного воздуха при сгорании, температура пламени и возможность смешивания воздуха и газа в горелке, являются наиболее важными факторами, влияющими на тепловой NOx при использовании газового топлива.

Рисунок 2. NOx, образующиеся при сжигании метана и пропана, в эквивалентном соотношении

Количество выбросов оксидов азота (NOx), вызванных сгоранием, в терминах эквивалентного соотношения, показано на Рисунке 2. Эквивалентное соотношение является результатом доли фактического топлива к стехиометрическому топливу, и значения больше 1 означают, что фактическое топливо превышает стехиометрическое, что называется топливным богатством. Значения меньше 1 указывают на топливное обеднение. В обычных условиях, когда количество воздуха для сгорания больше, чем количество топлива, и сгорание одноступенчатое, эквивалентное соотношение меньше 1. Когда избыточный воздух для сгорания низок и близок к нулю (как приведено на Рисунке 2, в окрестности стехиометрической точки соотношения), выбросы NOx минимальны. Причина заключается в недостатке дополнительного кислорода для взаимодействия с атомами азота. С увеличением избытка воздуха количество выбросов NOx постепенно увеличивается до достижения максимальной точки на графике. Затем, при дальнейшем увеличении избытка воздуха (более чем на 30%), выбросы NOx уменьшаются, что вызвано снижением температуры пламени. Поэтому в процессах, в которых сгорание не ступенчатое, уменьшение избытка воздуха окажет существенное воздействие на процесс сгорания. Несмотря на то, что предварительное подогревание воздуха с топливом вызывает выбросы NOx и повышение температуры пламени, оно способствует рециркуляции тепла из дымохода котла, увеличению общей эффективности котла и снижению выбросов углеродного загрязнения.

Рисунок 3. Влияние предварительного нагрева на выбросы NOx при сжигании метана и пропана

Рециркуляция продуктов сгорания

Задачей этой системы является снижение количества вредных выбросов с помощью снижения температуры горения. Средняя температура пламени и, следовательно, тепловый NOx снижаются при добавлении нейтральных газов, таких как углекислый газ, азот, пар и других в зону горения. Одним из отличных источников нейтральных молекул являются продукты сгорания, проходящие через дымоход котла, которые имеют гораздо более низкую температуру, чем в камере сгорания. Добавляя или рециркулируя 10 % продуктов сгорания, можно снизить температуру пламени до 7 %.

Рисунок 4. Сжигание метана при 20% избытке воздуха без системы РДГ

Рециркуляционная система схематически приведена на Рисунке 4. В начале, рециркуляция продуктов сгорания не активна. Уравнение сжигания метана с избытком воздуха в размере 20% приведено в Формуле 1. Как видно, общее количество молей, образующихся в результате сгорания и поглощающих энергию сгорания, составляет 12/424 моль на сгорание одного моля метана. Это вызывает температуру в диапазоне 1300 (°C). Эта температура является основной причиной образования тепловых NOx.

Уравнение 1

Если рециркуляция составляет 10%, фактически 10% продуктов сгорания, включающих преимущественно нейтральные молекулы, будут подаваться к входу горелки. Этот перенос осуществляется через трубопровод, соединяющий дымоход котла с входом FGR на горелке. Путь передачи должен быть полностью тепловой изолирован, чтобы избежать конденсации. Вход горелки также должен иметь сливной отвод для возможной конденсации водяных паров, образующейся в процессе сгорания. Перенос осуществляется вентилятором горелки в небольших мощностях. В больших мощностях используются отдельные вентиляторы, управляемые центральной системой управления, для перемещения продуктов сгорания к горелке. Продукты сгорания также содержат кислород. Поэтому, передавая процент продуктов сгорания, воздух, поступающий в горелку, уменьшается, чтобы обеспечить полное сгорание при избытке воздуха в размере 20%. В этом случае уравнение реакции изменится, и количество молекул, образующихся при сгорании, будет составлять 13/47 моль на сгорание одного моля метана. Это увеличение числа молекул означает, что количество частиц в камере сгорания котла увеличивается. Энергия в камере сгорания не изменилась, так как количество молекул метана постоянно. Это означает, что тепло от предыдущего цикла (без системы FGR (РДГ)) распределяется в соотношении 13/47 вместо 12/424, что приводит к снижению температуры пламени на 7-8%. Это можно повторить в следующих циклах таким же образом, и система приходит в равновесие после нескольких циклов в короткое время. Снижение температуры пламени значительно снижает тепловые NOx. Уравнение сгорания в начальном цикле работы системы РДГ приведено в Формуле 2, и процесс приведен схематически на Рисунке 5.

Рисунок 5. Сжигание метана при 20% избытке воздуха и 10% рециркуляции дымовых газов (РДГ)

Уравнение 2

Применяемый процент рециркуляции зависит от типа горелки и ее мощности смешивания.

На рабочем поле на Рисунке 6 приведено снижение выбросов NOx в зависимости от процента рециркуляции. Как можно видеть, этот метод способен снизить уровни выбросы NOx на 50%. Обычно рекомендуется провести эксперимент с рециркуляцией в размере 20% для производителей горелок.

Если рециркуляция с целью снижения NOx превышает эту величину, пламя горелки становится очень объемным и оказывает негативное воздействие на уровень теплоотдачи в камере сгорания котла. В этом случае пользователю приходится снизить мощность.

Рисунок 6. Снижение выбросов NOx в процентах рециркуляции

Условия установки РДГ (FGR)

Если котел оснащен двумя или более горелками, то у каждой горелки будет свой отдельный порт для РДГ. Система управления регулирует количество рециркуляции для каждой горелки отдельно с целью снижения общего уровня NOx в пламени. Рециркуляция оказывает незначительное негативное воздействие на эффективность, так как температура пламени ниже, и это немного снижает тепловую мощность. Общим решением для компенсации этого снижения является увеличение перемешивания в путях теплоотдачи. Другим негативным эффектом является фактическая стоимость горелки. Установка системы FGR будет стоить примерно 20% от общей фактической стоимости горелки. Эта стоимость в случае низкой мощности будет более высокой на каждый кВт потребляемого топлива. Согласно отчету Агентства по охране окружающей среды США, среди всех методов снижения NOx, FGR является наиболее экономически выгодным методом для горелок мощностью более 500 кВт.

Все операции, описанные в данном отчете и согласующиеся с исследователями в области энергетики в Соединенных Штатах и Европейском союзе, могут быть реализованы с использованием системы Packman и практически применимы для горелок мощностью более 1700 кВт. На Рисунке 7 приведен пример применения FGR на двух горелках мощностью 10 МВт и 5 МВт.

Надеется, что усилия по снижению выбросов NOx на 50% из отопительных и парогенерирующих систем, которые составляют 35% загрязнения страны, помогут сохранить экологическое здоровье и обеспечить его для будущих поколений.

Рисунок 7 – Порт рециркуляции продуктов сгорания на горелках RLGB-M/M-505/LN и RLGB-M/M-1050/LN Packman

В заключение, система рециркуляции дымовых газов имеет значительное воздействие на снижение уровня выбросов NOx. Как можно видеть на предоставленных изображениях и рабочих полях, эта система способна снизить выбросы NOx на 50%. Следует отметить, что применимый процент рециркуляции зависит от типа горелки и мощности смешивания в головке. Согласно рекомендациям отрасли, проведение экспериментов с уровнем рециркуляции в размере 20% рекомендуется производителям, поскольку превышение этой величины может вызвать негативные эффекты. Поэтому важно найти баланс между снижением NOx и мощностью горелки, чтобы обеспечить устойчивую эксплуатацию котла. В данной области требуется проводить больше научных исследований, чтобы предоставить производителям информацию о том, как увеличить эффективность и защитить нашу планету.

Авторы: Исследовательский отдел горелочного завода, Компания “Packman”, Управляемая Вахидом Азизи

Ссылка:

1. Economic cost of the health impact of air pollution in Europe – accessed 9 November 2016.
2. Nitric oxide: Toxicity – accessed 9 November 2016.
3. Commission Regulation (EU) No 814/2013 of 2 August 2013 implementing Directive 2009/125/EC on ecodesign requirements for water heaters and hot water storage.
4. Sustainable design and construction, Greater London Authority, 2014.
5. Implementation of Clean Air Zones in England – accessed 9 November 2016.
6. City of London Air Quality Strategy 2015 – 2020, City of London Corporation.
7. Hazelhurst J, Tolley’s Industrial and Commercial Gas Installation Practice – Gas Service Technology Volume 3, Taylor & Francis, 2012.