В прошлом веке, выбросы оксидов азота, называемые NOx, постоянно увеличивались. Из-за разрушительного воздействия оксидов азота на здоровье общества и окружающую среду, были рассмотрены выбросы парниковых газов от различных источников сжигания в промышленно развитых странах. Были разработаны различные технологии для контроля NOx и нижения выбросов от источников горения. Развитие этих технологий зависит от понимания химических реакций на оксиды азота. К основным параметрам, связанным с реакциями образования NOX, относятся температура горения, концентрация окислителя и продолжительность его нахождения в зоне горения с высокой температурой. Любое изменение этих параметров приводит к уменьшению или увеличению образования NOx. Однако можно добиться снижения температуры горения за счет впрыска воды или пара, оптимизации геометрии и рециркуляции отходящих газов.
Азот, также известный как N или N2 (химическая формула), является самым распространенным элементом в атмосфере Земли, составляющим около 79% воздуха. Это сжатый газ без цвета и запаха, негорючий и нетоксичный. Ежегодно перегонкой жидкого воздуха в окружающую среду извлекается около 45 миллионов тонн. Соединения семейства NOx и некоторые важные свойства собраны в таблице ниже.
| Формула | Название | Валентность азота | Характеристики |
|---|---|---|---|
| N2O5 | Оксид азота | 5 | Белое твердое вещество Хорошо растворимое в воде Разлагается в воде |
| N2O4 NO2 | Четырехокись диазота Диоксид азота | 4 | Красно-коричневый газ Хорошо растворимое в воде Разлагается в воде |
| N2O3 | Tрехокись азота | 3 | Черный твердый Растворимый в воде Разлагается в воде |
| N2O2 NO | Двуокись азота Oксид азота | 2 | Бесцветный газ Cлабо растворимый в воде |
| N2O | Оксид азота | 1 | Бесцветный газ Cлабо растворимый в воде |
Выбросы NOx при сгорании происходят в основном в форме NO. В соответствии с формулой Зельдовича, при температуре выше 1300 °C NO образуется до предела кислорода, доступного в воздухе. Ниже 760 ° C NO образуется в гораздо меньших концентрациях или вообще не образуется. NO в процессе сгорания образуется в зависимости от соотношения воздух-топливо. Формула Зельдовича:
N + O → NO + N
N + O2 → NO + O
N + OH → NO + H
Как упоминалось выше, процессы горения при температурах значительно ниже 1300 °C выделяют гораздо меньшее количество «термических NOx». Термический NOx контролируется концентрацией азота и кислорода и температурой горения. Другой формой NOx является «топливный NOx», который выделяется из топлива, содержащего азот, такого как уголь. «Быстрый NOx» образуется из молекулярного азота в воздухе в сочетании с топливом в условиях богатого топлива, которые в некоторой степени существуют при любом сгорании. Затем этот азот окисляется вместе с топливом и превращается в NOx во время сгорания, точно так же, как топливный NOx.
Технологии контроля и снижения выбросов NOx относительно сложны. В этом обсуждении делается попытка создать структуру методов сокращения и контроля NOx, представляя используемые методы. Затем описываются более эффективные стратегии сокращения загрязнения и контроля выбросов.
Почти все источники сжигания имеют большое количество загрязняющих веществ, таких как NOx, в большом количестве в дымовых газах. Все стратегии сокращения выбросов NOx в процессе сжигания или уменьшения их количества основаны на одном из семи:
- Снижение температуры горения
- Сокращение времени пребывания
- Удаление азота
- Химическое восстановление NOx
- Окисление NOx
- Сделать сорбцию
- Комбинация вышеуказанных методов
Ниже приведены некоторые из хорошо известных и эффективных технологий снижения и контроля загрязнения окружающей среды, особенно NOx:
1. Рециркуляция продуктов сгорания
Рециркуляция продуктов сгорания (CPR) из дымовой трубы камеры сгорания представляет собой процесс, при котором продукты сгорания (POCs) возвращаются в зону образования пламени. Сначала кажется, что процесс CPR увеличит образование NOx из-за прямой связи эмиссии NOx с температурой. Заметно, что температура дымовых газов намного ниже температуры пламени, поэтому CPR уменьшит образование NOx. Диаграмма образования NOx в зависимости от температуры пламени показана ниже.
Оптимизация спроектированной геометрии горелки с точки зрения аэродинамики необходима для достижения высокой скорости смешивания топлива и воздуха. Цель состоит в том, чтобы предотвратить образование горячих точек и создать однородную температуру в пламени, чтобы при увеличении количества тепла, выделяющегося при низкой температуре пламени, скорость образования NOx уменьшалась. Стандартными способами рециркуляции продуктов сгорания в зону пламеобразования являются рециркуляция топочных газов (FuGR) и рециркуляция дымовых газов (FGR) из дымовой трубы. В методе FGR, согласно рисунку, продукты сгорания рециркулируют из дымовой трубы в горелку.
В данном процессе необходим вентилятор или устройство, которое может циркулировать POC внутри печи или горелки. Горелка должна быть рассчитана на регулирование избыточного потока за счет возврата POC и повышения температуры реагентов в процессе горения за счет возврата горячих газов.
В методе FGR требуется дополнительный вентилятор для извлечения POC из стопки в горелку. Если температура выхлопных газов достаточно низкая, вентилятор горелки может направить воздух для горения и поток горячих выхлопных газов дымовой трубы в горелку. Данный метод используется в горелках паровых котлов, где температура выхлопных газов обычно намного ниже. Одним из недостатков метода FGR является необходимость изоляции путей прохождения потока горячих газов, выходящих из дымовой трубы, что приводит к увеличению габаритов горелки. Внутренние компоненты горелки также должны выдерживать высокую температуру рециркулирующих дымовых газов.
В методе FuGR, процессе в печах, POC внутри печи возвращаются в горелку. Возвратные газы уравновешивают температуру пламени. Этот процесс приведен ниже.
В другом методе POC из топки будут возвращаться на путь, встроенный в головку горелки, и в сочетании с воздухом, поступающим в горелку, уменьшат температуру пламени.
2. Замена топлива
Замена топлива — один из самых простых способов для снижения загрязнения окружающей среды. Например, сжигание дизеля или мазута, содержащей соединения азота, приводит к увеличению содержания NOx в топливе. Природный газ (NG) обычно не содержит или обладает меньшей количеством молекул азота. Частичная или полная замена легкого/тяжелого топлива на NG (при отсутствии необходимости принудительного использования жидкого мазута) позволяет значительно снизить выбросы NOx.
3. Замена окислителя
Воздух является наиболее распространенным окислителем. Значительных результатов в снижении NOx можно добиться, используя вместо воздуха чистый кислород. Например, при сжигании метана (CH4), если воздух с 79% азота в объемном масштабе заменить кислородом, выбросы NOx можно полностью исключить из процесса, поскольку нет молекул азота для производства NOx.
Обычно NOx снижает за счет уменьшения количества азота в процессе. Однако использование высокочистого кислорода вместо воздуха имеет свои проблемы, такие как высокая стоимость извлечения, но с сокращением в будущем недорогих методов отделения кислорода от воздуха можно расширить этот метод в промышленности.
4. Процент избыточного воздуха (EA%)
Увеличение количества избыточного воздуха перед стехиометрическими условиями (зона богатого топлива) увеличивает уровень выбросов NOx. При дальнейшем увеличении процента избыточного воздуха скорость выброса NOx будет снижаться. Есть две причины увеличения NOx в зоне обогащения топливом и его уменьшения при более высоком уровне EA. Первая, или причина увеличения NOx при низких уровнях избытка воздуха, заключается в том, что реакция с кислородом является приоритетной в химических реакциях. Высокая температура пламени является второй причиной увеличения NOx вблизи низких уровней EA (близких к стехиометрическим условиям). Сочетание доступного кислорода и высокой температуры приводит к увеличению термических NOx.
5. Беспламенное горение
Беспламенное горение было разработано для снижения выбросов парниковых газов при сохранении высокой тепловой эффективности в системах сжигания. Среди характерных особенностей этого типа сжигания – уменьшение количества загрязняющих веществ, равномерное распределение температуры пламени, снижение шумового загрязнения и снижение термических напряжений. Беспламенное горение невозможно увидеть невооруженным глазом. Высокая температура в стенке камеры сгорания и сильное излучение от нее вызывают утомление глаз и невозможность увидеть пламя.
6. Ступенчатое
Ступенчатое горение является эффективным способом снижения выбросов NOx. Часть топлива, окислителя или того и другого на стадии добавляют на ступень перед первичным сжиганием. Например, можно впрыскивать количество топлива первичной и вторичной ступеней в составе общего вводимого топлива в зону образования пламени и создавать химический баланс в присутствии пламени. Этот метод вызывает образование обедненной топливом зоны, которая имеет более низкую склонность к выбросу NOx, чем стехиометрические условия. Общие стехиометрические условия в этом методе такие же, как и в обычной горелке. Пиковая температура пламени в режиме ступенчатого сжигания топлива значительно ниже, чем в обычном режиме, поскольку процесс горения происходит дискретно, а тепло выделяется из пламени одновременно и непрерывно. Более низкая пиковая температура в топливной ступени помогает снизить выбросы NOx. Ступенчатая подача топлива является одним из экономически эффективных способов снижения выбросов NOx.
7. Закачка воды
Одним из важных моментов в методах снижения выбросов NOx является предотвращение снижения эффективности сгорания. Впрыск воды в пламя является одним из способов снижения содержания NOx. В этом случае вода поглощает тепло пламени и направляет часть энергии горения вместе с продуктами горения из дымовой трубы наружу камеры. Этот метод снижает эффективность сгорания. Другая идея заключается в использовании пара. Использование пара имеет много преимуществ по сравнению с жидкой водой. Температура пара намного выше, чем у жидкой воды, и включает скрытую теплоту парообразования, необходимую для превращения воды в пар. Когда жидкая вода впрыскивается в процесс горения, это может создать большую тепловую нагрузку на процесс, потому что жидкая вода может поглощать большое количество энергии до испарения из-за ее высокой скрытой теплоты испарения. Тепловой FGR при использовании водяного пара намного лучше, чем жидкая вода, потому что он поглощает меньше энергии, чем вода, и, как следствие, не снижает термический FGR так сильно, как жидкая вода. Форсунка необходима для равномерного распределения воды в дымовых газах, если используется жидкая вода. Форсунка не нужна, если используется водяной пар, а пар легко смешивается с дымовыми газами, поэтому смешивать водяной пар с продуктами сгорания намного проще. Еще одним преимуществом впрыска воды является то, что расход воды легко регулируется.
В заключение, эффективное понимание и решение проблем, связанных с выбросами оксидов азота (NOx), крайне важно как для устойчивости окружающей среды, так и для общественного здоровья. Представленные данные подчеркивают вредное воздействие NOx на глобальное потепление, качество воздуха и здоровье человека, а также значительные экономические затраты, связанные с заболеваниями, вызванными загрязнением. Рециркуляция дымовых газов (Flue Gas Recirculation, FGR) выделяется как перспективное решение, демонстрируя потенциал снижения выбросов NOx до 50%. Однако важно тщательно оценить оптимальные проценты рециркуляции для поддержания эффективности горелки и качества процесса сгорания.
С учетом возрастающих требований регулирования и общественного внимания к экологическим стандартам, производители и инженеры должны придавать приоритет инновационным технологиям, таким как FGR. Этот подход не только соответствует глобальным экологическим обязательствам, таким как Парижское соглашение, но и отражает приверженность социальной ответственности бизнеса. Продолжение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ будет ключевым фактором в оптимизации процессов сгорания, дальнейшем снижении выбросов NOx и обеспечении более здоровой планеты для будущих поколений. Вложение в эффективные стратегии сокращения выбросов способствует созданию более чистого воздуха и устойчивого будущего при сохранении эффективности и надежности жизненно важных систем отопления.
