Методы снижения выбросов NOx: стратегии и технологии подавления

2 октября, 2022
Raadman Content Creation Team

Содержание

За последнее столетие объемы выбросов оксидов азота NOx значительно увеличились, главным образом вследствие масштабного развития промышленности и повсеместного сжигания ископаемых видов топлива в энергетике, на транспорте и в технологических установках. Данные загрязняющие вещества оказывают серьезное негативное воздействие на здоровье населения и экосистемы, провоцируя развитие тяжелых респираторных заболеваний, формирование фотохимического смога и выпадение кислотных осадков. В связи с этим снижение эмиссии NOX

стало критически важным направлением экологической политики промышленно развитых стран.

nox reduction methods 1 Методы снижения выбросов NOx: стратегии и технологии подавления — Рис. 1 Выбросы NOx должны быть удалены или, по крайней мере, снижены!

Для минимизации выбросов NOx разработаны разнообразные технологические решения, направленные как на предотвращение их образования непосредственно в зоне горения, так и на очистку дымовых газов после сжигания топлива. Разработка и внедрение данных технологий базируются на глубоком понимании химической кинетики образования оксидов азота. Ключевыми факторами, определяющими интенсивность генерации NOx, являются: Температура в зоне горения, концентрация свободного кислорода и время пребывания реагентов в высокотемпературной зоне факела.

Точный контроль и регулирование этих параметров позволяют минимизировать эмиссию до нормативных значений.

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

Ключевые механизмы образования оксидов азота

Генерация оксидов азота в топочных процессах и камерах сгорания протекает по трем основным механизмам:

Термические (Thermal NOx): Образуются в результате прямого окисления атмосферного молекулярного азота кислородом воздуха при высоких температурах (как правило, свыше ). Это преобладающий механизм образования оксидов азота в промышленных горелочных устройствах и котлах при сжигании природного газа.
Топливные (Fuel NOx): Формируются при окислении азотсодержащих органических соединений, химически связанных в структуре тяжелых жидких топлив (мазут, нефть), угля или биомассы.
Быстрые (Prompt NOx / механизм Фенимора): Образуются во фронте пламени в богатых топливом зонах в результате быстрых реакций молекулярного азота с углеводородными радикалами. Данный механизм играет заметную роль в ДВС и процессах с локальным переобогащением смеси.

Химическая кинетика образования термических описывается расширенным механизмом академика Зельдовича:

N + O → NO + N

N + O₂ → NO + O

N + OH → NO + H

При умеренных температурах сжигания (ниже ) скорость образования оксида азота () пренебрежимо мала. Однако в промышленных установках снижение температуры факела, оптимизация конструкции горелочных устройств и внедрение первичных мер подавления являются важнейшими задачами управления эмиссией.

Стратегии снижения эмиссии NOx

Комплексные методы подавления классифицируются на две основные группы:

1- Первичные (режимно-технологические) методы

Мероприятия по модификации топочного процесса, предотвращающие образование на стадии горения.

Конструкция низкоэмиссионных горелок (Low-NOx Burners)

Горелочные устройства с низким уровнем выбросов благодаря специальной аэродинамической конструкции предотвращают образование локальных зон с экстремально высокими температурами («горячих пятен»), которые выступают главным катализатором образования термических . Данные горелки обеспечивают равномерный и стабильный процесс сжигания за счет оптимизации распределения температур в факеле, ступенчатой подачи топлива и воздуха, тонкого смесеобразования и создания закрученных аэродинамических потоков.

Кроме того, высокая совместимость с технологиями рециркуляции дымовых газов (FGR) и предварительного смешения (Premixed) позволяет снизить суммарные выбросы до 90%. Это не только минимизирует негативное воздействие на окружающую среду, но и повышает термический КПД топочного агрегата, оптимизирует расход топлива и предотвращает образование сопутствующих вредных веществ, включая угарный газ ().

Чтобы ознакомиться с модельным рядом, техническими параметрами и аэродинамическими характеристиками низкоэмиссионных горелок Raadman, перейдите в раздел горелок Low-NOx на нашем сайте.

Смесительное устройство и головка горения низкоэмиссионной горелки Low-NOx | Raadman — Головка горения горелки Raadman с низким уровнем выбросов NOx

Рециркуляция дымовых газов (FGR) и эффективность снижения выбросов NOx

Рециркуляция дымовых газов (FGR — Flue Gas Recirculation) представляет собой технологический процесс перенаправления части продуктов сгорания из дымовой трубы обратно в зону формирования факела горелочного устройства.

На первый взгляд может показаться, что возврат горячих дымовых газов должен приводить к росту образования из-за прямой зависимости интенсивности выбросов от температуры. Однако, поскольку температура рециркулирующих газов существенно ниже температуры ядра факела (а сами инертные газы увеличивают теплоемкость среды и снижают парциальное давление свободного кислорода), данный процесс эффективно сглаживает температурные пики и значительно подавляет образование термических оксидов азота.

NOx emission in different flame temperature — Выбросы NOx при различной температуре пламени

Оптимизация расчетной геометрии горелки с точки зрения аэродинамики необходима для достижения высокой скорости и качества смешивания топлива и воздуха. Цель состоит в том, чтобы предотвратить образование зон локального перегрева («горячих пятен») и создать однородное температурное поле в факеле, чтобы при увеличении тепловыделения при низкой температуре факела скорость образования снижалась. Стандартными методами рециркуляции продуктов сгорания в зону формирования факела являются рециркуляция топочных газов и рециркуляция дымовых газов (FGR) из дымовой трубы. В методе FGR, как показано на рисунке, продукты сгорания рециркулируют из дымовой трубы в горелку.

В этом процессе необходим вентилятор или устройство, способное обеспечить циркуляцию продуктов сгорания внутри топки или горелки. Горелка должна быть спроектирована таким образом, чтобы контролировать избыточный расход, возникающий из-за возврата продуктов сгорания, и повышение температуры реагирующих веществ в процессе горения вследствие возврата горячих газов.

В методе FGR требуется дополнительный вентилятор для отбора продуктов сгорания из дымовой трубы и подачи их в горелку. Если температура уходящих газов достаточно низкая, вентилятор горелки может направлять как воздух для горения, так и поток горячих уходящих газов из дымовой трубы непосредственно в горелку. Этот метод применяется в горелках паровых котлов, где температура уходящих газов, как правило, значительно ниже.

Одним из недостатков метода FGR является необходимость теплоизоляции каналов движения потока горячих газов, выходящих из дымовой трубы, что приводит к увеличению габаритов горелочного узла. Внутренние компоненты горелки также должны выдерживать высокую температуру рециркулирующих дымовых газов.

В методе рециркуляции топочных газов часть продуктов сгорания внутри топки перенаправляется в зону горелки. Рециркулирующие газы помогают стабилизировать и снизить температуру факела, тем самым улучшая равномерность горения и снижая образование оксидов азоتا. Этот процесс проиллюстрирован ниже.

При другом подходе (FGR) продукты сгорания из топки рециркулируют через канал, встроенный в головку горения горелки. Эти газы смешиваются с поступающим воздухом, что приводит к снижению температуры факела и уменьшению образования .

Рис.5 Рециркуляция дымовых газов в горелк

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.

Рис.6 Выбросы NOx при смешивании топлива с CH4 и H2

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.

Процент избыточного воздуха

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.

Рис.7 Количество NO в различных коэффициентах эквивалентности

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.

Ступенчатое горение

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.

Схема ступенчатого распределения топлива

Предварительное смешение

При предварительном смешении топливо и воздух тщательно перемешиваются перед поступлением в камеру сгорания, что обеспечивает однородную температуру факела и предотвращает образование зон с высокой температурой. Такой подход помогает подавлять образование термических за счет минимизации температуры факела и повышения общей эффективности сгорания. Кроме того, точный контроль соотношения «топливо-воздух» обеспечивает оптимальный режим горения и снижает выбросы таких загрязняющих веществ, как быстрые (prompt NOx) и оксид углерода ().

Горение с предварительным смешением широко применяется в современных горелочных устройствах, газовых турбинах и промышленных котлах. При интеграции с такими технологиями, как ступенчатая подача воздуха и рециркуляция дымовых газов (FGR), оно обеспечивает дополнительное снижение выбросов и других вредных веществ. Горелки с предварительным смешением относятся к наиболее эффективным технологиям сокращения , обеспечивая улучшенные эксплуатационные характеристики благодаря стабильному и контролируемому процессу горения.

Для получения более подробной информации об этих горелках вы можете обратиться к статье «Горелки с предварительным смешением (Premixed Burners)».

Впрыск воды или пара

Одним из важнейших аспектов при снижении выбросов является предотвращение падения эффективности горения (КПД) в процессе подавления . Впрыск воды в зону факела представляет собой один из методов снижения выбросов оксидов азота. При таком подходе вода поглощает часть тепла факела и уносит часть энергии вместе с продуктами сгорания через дымовую трубу за пределы камеры. Будучи эффективным для снижения образования , данный метод может отрицательно сказаться на эффективности сгорания.

Альтернативным решением является использование пара вместо жидкой воды. Пар обладает рядом преимуществ, поскольку его температура значительно выше температуры жидкой воды, и он уже содержит скрытую теплоту парообразования, необходимую для перехода воды в пар. Впрыск жидкой воды создает высокую тепловую нагрузку на процесс горения, так как из-за высокой скрытой теплоты фазового перехода она поглощает значительное количество энергии до момента испарения. Использование пара позволяет нивелировать эту проблему, продолжая эффективно способствовать снижению выбросов .

Термический КПД при использовании водяного пара оказывается значительно более благоприятным, чем при подаче жидкой воды, поскольку пар поглощает меньше тепла из зоны реакции и, как следствие, не приводит к столь существенному снижению тепловой эффективности. При использовании жидкой воды для ее равномерного распределения в топочных газах требуется распылительная форсунка (сопло). В случае применения водяного пара форсунка не требуется: пар легко смешивается с продуктами сгорания, поэтому процесс его внедрения и распределения в потоке газов происходит намного проще. Еще одним преимуществом систем впрыска воды является простота регулирования ее расхода.

2. Вторичные методы снижения выбросов NOx (очистка дымовых газов)

Следующие методы применяются после завершения процесса горения и направлены на улавливание или преобразование образовавшихся в дымовых газах в менее вредные соединения:

Селективное каталитическое восстановление (СКВ / SCR)

Этот метод используется для удаления оксидов азота из уходящих газов. Как было отмечено в начале этого раздела, данная технология не зависит от конструкции промышленных горелок и требует установки дополнительного оборудования в тракте дымовых газов. В процессе СКВ восстановитель, такой как аммиак () или мочевина (карбамид), впрыскивается в поток дымовых газов.

В присутствии катализатора восстановитель вступает в химическую реакцию, превращая в молекулярный азот () и водяной пар (). Этот процесс обычно протекает в диапазоне температур от 300 до 400 °C и позволяет удалять 90–95% из продуктов сгорания.

Катализаторы, используемые в данном методе, как правило, изготавливаются на основе таких материалов, как цеолиты или оксиды металлов, включая ванадий и вольфрам. Их оптимальная работа напрямую зависит от поддержания требуемого температурного режима и высокой точности дозирования впрыска аммиака.

Схематическое изображение реактора SCR|raadman — Принципиальная схема реактора СКВ (SCR)

Селективное некаталитическое восстановление (СНКВ / SNCR)

В данной технологии для превращения оксида азота () в молекулярный азот () и водяной пар () используются восстановители, такие как аммиак () или карбамид (мочевина). Как и технология СКВ (SCR), СНКВ представляет собой метод очистки продуктов сгорания от оксидов азота () и не зависит от конструкции горелочного устройства. Однако, в отличие от СКВ, метод СНКВ не требует применения катализатора, а восстановитель впрыскивается непосредственно в поток высокотемпературных дымовых газов. Этот процесс обычно протекает в диапазоне более высоких температур — от 900 до 1100 °C.

По сравнению с методом СКВ, система СНКВ конструктивно проще и экономически выгоднее с точки зрения капитальных и эксплуатационных затрат. Тем не менее, она обладает меньшей эффективностью: степень очистки от обычно составляет от 40 до 70%. Метод селективного некаталитического восстановления наиболее эффективен при высоких исходных концентрациях загрязняющих веществ и при условии строгого поддержания оптимального температурного окна для протекания реакций восстановления.

Селективное некаталитическое восстановление|raadman — Селективное некаталитическое восстановление (СНКВ / SNCR)

На пути к более чистому горению: перспективы развития технологий снижения выбросов NOx

На фоне непрерывного роста мирового спроса на энергоресурсы контроль выбросов оксидов азота () остаётся ключевой задачей для достижения экологически чистого и устойчивого процесса горения. За последние годы сформировался широкий спектр стратегий, направленных как на предотвращение образования непосредственно в процессе горения, так и на их улавливание и нейтрализацию в уходящих газах.

Первичные методы, такие как рециркуляция дымовых газов (FGR), замещение видов топлива, регулирование коэффициента избытка воздуха, беспламенное горение, ступенчатое сжигание, горение с предварительным смешением (Premixed), а также впрыск воды или пара, продемонстрировали высокую эффективность в минимизации генерации непосредственно в очаге горения. Кроме того, вторичные методы очистки (Post-Combustion) — включая технологии селективного каталитического восстановления (СКВ / SCR) и селективного некаталитического восстановления (СНКВ / SNCR) — обеспечивают глубокую доочистку дымовых газов, внося существенный вклад в создание экологически безопасных и высокоэффективных систем сжигания топлива.

В низкоэмиссионных горелках Raadman (Low-NOx) применяются передовые инженерные решения, в том числе технологии ступенчатого сжигания, предварительного смешения топливовоздушной смеси и внешней рециркуляции дымовых газов (FGR). Это позволяет эффективно подавлять образование оксидов азота при сохранении высокого термического КПД установки. Горелочные устройства Raadman представляют собой надёжное и экономически эффективное решение, помогающее промышленным предприятиям соблюдать строгие экологические стандарты и способствующее устойчивому развитию производства.

Часто задаваемые вопросы о методах снижения выбросов NOx (FAQ)

1. Что такое NOx в процессах горения?

$NO_{x}$ — это общее обозначение оксидов азота (преимущественно ), образующихся при высокотемпературном сжигании топлива. Они относятся к категории опасных токсичных загрязнителей атмосферы, провоцирующих возникновение фотохимического смога, кислотных дождей и наносящих серьёзный вред здоровью человека.

2. Почему важно снижать выбросы NOx?

Снижение концентрации необходимо для защиты атмосферного воздуха, соблюдения нормативных экологических требований (ПДВ) и повышения общей энергоэффективности топочных процессов. Это также позволяет промышленным объектам успешно проходить экологический аудит и избегать штрафных санкций.

3. Каковы основные методы снижения выбросов NOx?

Методы снижения подразделяются на две основные категории:Первичные (внутритопочные) методы и Вторичные методы (очистка дымовых газов)

4. В чём разница между технологиями СКВ (SCR) и СНКВ (SNCR)?

СКВ (Селективное каталитическое восстановление / SCR): процесс протекает в присутствии катализатора при температуре 300–400 °C с впрыском аммиака; степень очистки достигает 90–95%.

СНКВ (Селективное некаталитическое восстановление / SNCR): процесс осуществляется без катализатора в высокотемпературной зоне (900–1100 °C); степень снижения выбросов составляет 40–70%, однако система отличается более простой конструкцией и меньшей стоимостью внедрения.

Поделиться постом