С ростом промышленности и, как следствие, увеличением спроса на энергию, сжигание ископаемого топлива в промышленных горелках стало одним из основных факторов образования загрязняющих веществ, в частности оксидов азота (NOx). Образование NOx при высокотемпературном сгорании топлива может иметь серьезные последствия для окружающей среды и здоровья общества.
В этом контексте, технология снижения NOx в промышленных системах сгорания рассматриваются как важный инструмент управления загрязнением и повышения экологических стандартов. Технология снижения NOx включает методы низкоэмиссионного сгорания, рециркуляцию дымовых газов и использование каталитических систем.
Настоящая статья представляет всесторонний обзор различных технологий снижения NOx в промышленных горелках, анализирует их преимущества и вызовы. Для более глубокого понимания механизмов образования NOx рекомендуется ознакомиться со статьей «Механизм образования NOx при сгорании».
NOx и его влияние на окружающую среду и здоровье
NOx – это группа оксидов азота, включающая монооксид азота (NO) и диоксид азота (NO₂), которые в основном образуются в результате процессов сгорания в промышленности, на электростанциях, в транспортных средствах и отопительном оборудовании. Эти соединения являются одними из основных загрязнителей воздуха и оказывают значительное влияние на окружающую среду и здоровье человека.
Влияние NOx на окружающую среду
NOx играет ключевую роль в загрязнении воздуха и образовании кислотных дождей. Взаимодействуя с водяным паром и другими загрязняющими веществами в атмосфере, оксиды азота образуют азотную кислоту (HNO₃), которая выпадает на поверхность земли в виде кислотных осадков. Это приводит к снижению плодородности почвы, разрушению лесов, гибели водных организмов и эрозии исторических и городских сооружений. Кроме того, NOx в присутствии солнечного света и летучих органических соединений (VOC) способствует образованию приземного озона (O₃), который является основным компонентом фотохимического смога. Приземный озон оказывает вредное воздействие на растительность, снижает урожайность сельскохозяйственных культур и нарушает экосистемы.
Влияние NOx на здоровье человека
NOx, в частности диоксид азота (NO₂), является токсичным газом и сильным раздражителем дыхательной системы. Он вызывает воспаление легких, обострение астмы, бронхита и других респираторных заболеваний. Длительное воздействие NO₂ может привести к снижению функции легких, развитию сердечно-сосудистых заболеваний и ослаблению иммунной системы. Кроме того, NOx способствует образованию вторичных твердых частиц (PM2.5), увеличивающих риск респираторных и сердечно-сосудистых заболеваний, особенно у детей, пожилых людей и лиц с хроническими заболеваниями.
Необходимость снижения NOx
С учетом серьезных последствий выбросов NOx для окружающей среды и здоровья населения, контроль и снижение этих загрязняющих веществ являются приоритетной задачей. Технология снижения Nox ее применение, таких как низкоэмиссионные горелки с низким уровнем NOx (Low-NOx Burners), ступенчатое сгорание, рециркуляция дымовых газов (FGR), а также очистка отходящих газов с помощью селективного каталитического (SCR) и некаталитического (SNCR) восстановления, позволяет значительно уменьшить выбросы.
Кроме того, оптимизация процессов сгорания, переход на более чистые виды топлива, такие как природный газ, и развитие возобновляемых источников энергии играют ключевую роль в снижении негативного воздействия NOx на окружающую среду и здоровье человека.
Механизмы образования NOx в процессах сгорания
Тип механизма образования NOx определяет выбор наиболее эффективной и экономически целесообразной технологии его снижения. Понимание этих механизмов помогает разработать оптимальные стратегии для конкретных промышленных условий. Ниже приведены краткие описания основных механизмов образования NOx.
Термический NOx (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.
Горелки Raadman: инновации для снижения NOx и промышленных загрязнений
Использование передовых технологий для снижения выбросов загрязняющих веществ стало одной из важных задач для современной промышленности. Горелки Raadman, с уникальным спроектированием серии Low-NOx, способствуют снижению концентрации NOx в воздухе. Эти горелки применяют такие технологии, как предсмешивание (например, горелки Post-mixed и Pre-mixed) и рециркуляция продуктов сгорания (FGR) для снижения NOx. Помимо снижения NOx и других загрязняющих веществ, они обеспечивают высокую эффективность для промышленных тепловых процессов. Разные отрасли могут использовать горелки Raadman для снижения NOx, не только уменьшая экологическое воздействие и соответствуя мировым стандартам, но и способствуя энергоэффективности и устойчивому развитию. Данные горелки предлагают эффективное и экономичное решение для экологически чистого и ответственного промышленного будущего.
