With the growth of industry and the resulting increase in energy demand, the combustion of fossil fuels in industrial burners has become a major contributor to pollutants, particularly nitrogen oxides (NOx). The formation of NOx during high-temperature combustion of fuels can have serious consequences for the environment and public health.
In this context, NOx reduction technology in industrial combustion systems is considered as an important tool for pollution control and raising environmental standards. NOx reduction technology includes low-emission combustion methods, flue gas recirculation and the use of catalytic systems.
This article provides a comprehensive overview of various NOx reduction technologies in industrial burners, and analyzes their advantages and challenges. For a deeper understanding of NOx formation mechanisms, it is recommended to read the article » NOx Formation Mechanism in Combustion «.
NOx and its impact on the environment and health
NOx is a group of nitrogen oxides, including nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO₂), which are mainly formed as a result of combustion processes in industry, power plants, vehicles and heating equipment. These compounds are among the main air pollutants and have a significant impact on the environment and human health.
Impact of NOx on the environment
NOx plays a key role in air pollution and the formation of acid rain. By interacting with water vapor and other pollutants in the atmosphere, nitrogen oxides form nitric acid (HNO₃), which falls to the earth’s surface as acid rain. This leads to a decrease in soil fertility, the destruction of forests, the death of aquatic organisms, and the erosion of historical and urban structures. In addition, NOx, in the presence of sunlight and volatile organic compounds (VOCs), contributes to the formation of ground-level ozone (O₃), which is the main component of photochemical smog. Ground-level ozone has a harmful effect on vegetation, reduces crop yields, and disrupts ecosystems.
The Impact of NOx on Human Health
NOx, in particular nitrogen dioxide (NO₂), is a toxic gas and a strong irritant to the respiratory system. It causes pneumonia, exacerbation of asthma, bronchitis and other respiratory diseases. Long-term exposure to NO₂ can lead to decreased lung function, the development of cardiovascular diseases and a weakened immune system. In addition, NOx contributes to the formation of secondary particulate matter (PM2.5), which increases the risk of respiratory and cardiovascular diseases, especially in children, the elderly and people with chronic diseases.
The need to reduce NOx
Given the serious consequences of NOx emissions for the environment and public health, the control and reduction of these pollutants is a priority. Nox reduction technologies such as Low -NOx Burners, staged combustion, flue gas recirculation (FGR), and exhaust gas cleaning using selective catalytic reduction (SCR) and non-catalytic reduction (SNCR) can significantly reduce emissions.
In addition, optimising combustion processes, switching to cleaner fuels such as natural gas and developing renewable energy sources play a key role in reducing the negative impact of NOx on the environment and human health.
Mechanisms of NOx formation in combustion processes
The type of NOx formation mechanism determines the choice of the most effective and cost-effective NOx reduction technology. Understanding these mechanisms helps to develop optimal strategies for specific industrial conditions. Brief descriptions of the main NOx formation mechanisms are provided below.
Thermal NOx
Первый тип NOx – это термический NOx, который образуется при очень высоких температурах (обычно выше 1300°C) в процессе сгорания, например, в котлах и двигателях внутреннего сгорания. В этих условиях азот (N₂) и кислород (O₂), присутствующие в воздухе, вступают в реакцию под воздействием высокой температуры, в результате чего их связи разрываются и образуется оксид азота (NO). Количество термического NOx зависит от таких факторов, как температура пламени, время контакта газов при высоких температурах и концентрация кислорода. Основные методы снижения термического NOx – это уменьшение температуры пламени и контроль уровня кислорода в процессе сгорания.
Топливный NOx (Fuel NOX)
Топливный NOx образуется, когда азот, содержащийся в химическом составе ископаемого или биотоплива (например, угля, мазута и нефти), вступает в реакцию с кислородом при сгорании и превращается в оксиды азота (NOx). Количество выбросов данного типа NOx зависит от содержания азота в топливе и условий сгорания, таких как температура и время реакции. Один из способов снижения топливного NOx – это использование более чистого топлива, такого как природный газ, который содержит меньше азота.
Промпт-NOx (Prompt NOX)
Промпт-NOx образуется в результате взаимодействия азота и кислорода, содержащихся в воздухе, с молекулами углеводородного топлива. В этом механизме азот из воздуха напрямую реагирует с молекулами топлива, а промежуточные продукты этих реакций превращаются в оксид азота (NO). Этот процесс может происходить даже при более низких температурах и обычно наблюдается при высокой концентрации топлива в камере сгорания. Количество выбросов прeмпт-NOx обычно меньше, чем у термического и топливного NOx. Для его снижения можно использовать методы, такие как разбавление топлива и уменьшение его концентрации в камере сгорания.
Современные технологии снижения NOx в промышленных горелках
Технологии снижения NOx сосредоточены на изменении условий сгорания, таких как температура пламени и концентрация кислорода в зоне горения. Уменьшая температуру пламени, снижая концентрацию кислорода, уменьшая время контакта газов с кислородом и используя топливо без содержания азота, можно минимизировать образование NOx.
Некоторые из самых распространённых технологий:
Ступенчатое сгорание (staged combustion)
Предварительное смешанное сгорание (pre-mixed combustion)
Рециркуляция дымовых газов (flue gas recirculation, FGR)
Горелки “Raadman” с уникальным спроектированием, направленным на снижение выбросов NOx, используют предварительно смешанное сгорание и систему рециркуляции дымовых газов. Данные горелки соответствуют классам NOx 3, 4 и 5 согласно национальному стандарту 7595. Также серия водотрубных горелок Rаadman снижает NOx благодаря ступенчатой подаче воздуха.
Если предотвращение образования NOx в горелке невозможно, можно использовать технологии SCR и SNCR для удаления NOx из дымовых газов. Эти методы не являются частью конструкции горелок, а требуют установки отдельных систем очистки.
Технологии снижения NOx в различных отраслях промышленности, таких как электростанции, нефтехимия и промышленные печи, играют важную роль в снижении загрязнения воздуха и улучшении качества окружающей среды.
Горелки с низким уровнем NOx (Low-NOx)
Горелки с низким уровнем NOx (Low-NOx) предотвращают образование зон с очень высокой температурой, которые являются основной причиной термического NOx. Эти горелки обеспечивают равномерное и контролируемое сгорание за счёт понижения температуры пламени, ступенчатого сжигания, оптимального смешивания топлива с воздухом и создания вихревых потоков. Их можно комбинировать с технологиями, такими как рециркуляция дымовых газов (FGR) и предварительное смешанное сгорание, что ещё больше снижает выбросы NOx.
Использование Low-NOx-горелок не только сокращает выброс загрязняющих веществ до 90%, но также повышает эффективность сгорания, оптимизирует расход топлива и уменьшает образование других загрязняющих веществ, таких как CO.
Ступенчатое сгорание (Staged Combustion)
Один из самых эффективных методов снижения NOx в промышленных горелках.
Реализуется двумя способами:
Ступенчатая подача воздуха – воздух поступает в камеру сгорания в два этапа.
Ступенчатая подача топлива – топливо подаётся в камеру сгорания в два этапа.
При ступенчатом сгорании создаются две зоны горения: В первой зоне сгорание происходит в обеднённой среде (низкое соотношение топлива к воздуху) – температура ниже, что уменьшает образование NOx. а во второй зоне горение происходит в богатой среде (высокое соотношение топлива к воздуху) – концентрация кислорода низкая, что также снижает NOx. Ступенчатое сгорание также улучшает циркуляцию продуктов сгорания и их смешивание с топливно-воздушной смесью, что ещё больше снижает выбросы NOx.
Предварительное смешанное сгорание (Pre-Mixed Combustion)
В этом методе топливо и воздух полностью смешиваются перед попаданием в камеру сгорания. Это обеспечивает равномерность температуры пламени и предотвращает образование зон с высокой температурой, где образуется термический NOx и есть для снижения NOx.
Их преимущества – снижает максимальную температуру пламени, предотвращая образование термического Nox, улучшает эффективность сгорания. и контроль соотношения топлива и воздуха действует снижения NOx и CO.
Этот метод применяется в современных горелках, газовых турбинах и промышленных котлах. В сочетании со ступенчатым сгоранием и рециркуляцией дымовых газов (FGR) он значительно снижает выбросы загрязняющих веществ.
Одной из эффективных технологий снижения NOx является использование предварительных смешанных горелок (Pre-Mixed burner), которые обеспечивают более эффективное сгорание за счет предварительного смешивания топливной смеси, что способствует оптимальной работе по снижению выбросов NOx. Для более детального ознакомления с такими горелками, рекомендуется ознакомиться с статьей «Знакомство с горелками Pre-Mixed».
Рециркуляция дымовых газов (Flue Gas Recirculation – FGR)
Эффективный метод снижения NOx, при котором часть дымовых газов возвращается в камеру сгорания. Эти газы содержат CO₂, H₂O и N₂, которые не участвуют в химических реакциях горения, а действуют как разбавители, снижая температуру пламени и уменьшая образование термического NOx.
Селективное каталитическое восстановление (Selective Catalytic Reduction — SCR)
Метод селективного каталитического восстановления (SCR), также известный как «селективное каталитическое восстановление», представляет собой технологию удаления оксидов азота из продуктов сгорания. Как было сказано в начале данной главы, эта технология не зависит от промышленных горелок и требует отдельного оборудования, которое устанавливается в дымоходной системе. В процессе селективного каталитического восстановления в поток дымовых газов вводится восстанавливающее вещество, такое как аммиак (NH₃) или мочевина.
Это восстанавливающее вещество вступает в химическую реакцию в присутствии катализатора, в ходе которой NO превращается в азот (N₂) и водяной пар (H₂O). Этот процесс обычно протекает в температурном диапазоне от 300 до 400 градусов Цельсия и может удалять 90-95% NO из продуктов сгорания. Катализаторы, используемые в данной технологии, изготавливаются из таких материалов, как цеолиты или оксиды металлов, таких как ванадий и вольфрам, и их оптимальная работа зависит от поддержания подходящей температуры и точной подачи аммиака.
Селективное некаталитическое восстановление (Selective Non-Catalytic Reduction — SNCR)
В этой технологии для превращения NO в азот (N₂) и водяной пар (H₂O) используются восстанавливающие вещества, такие как аммиак (NH₃) или мочевина. Подобно SCR, эта технология также служит для удаления NOx из продуктов сгорания и не зависит от горелки. В отличие от метода селективного каталитического восстановления (SCR), в методе SNCR катализатор не требуется, и восстанавливающее вещество напрямую подается в дымовые газы. В свою очередь, этот процесс обычно проводится при более высоких температурах (от 900 до 1100 градусов Цельсия).
Метод SNCR проще и экономически эффективнее с точки зрения сложности и затрат по сравнению с SCR. Однако его эффективность ниже, и он может снизить выбросы NOx только на 40-70%. Селективное некаталитическое восстановление обычно эффективно при высоких концентрациях загрязняющих веществ и при температуре, подходящей для восстановительных реакций.
Raadman Burners: Innovations to Reduce NOx and Industrial Pollution
Using advanced technologies to reduce pollutant emissions has become one of the important challenges for modern industry. Raadman burners, with their unique Low-NOx series design, help reduce NOx concentrations in the air. These burners use technologies such as pre-mixing (e.g. Post-mixed and Pre-mixed burners) and flue gas recirculation (FGR) to reduce NOx. In addition to reducing NOx and other pollutants, they provide high efficiency for industrial thermal processes. Various industries can use Raadman burners to reduce NOx, not only reducing their environmental impact and meeting global standards, but also promoting energy efficiency and sustainability. These burners offer an efficient and cost-effective solution for a green and responsible industrial future.
