Методы снижения эмиссий оксидов азота

Из анализа механизмов образования оксидов азота при сжигании топлив следует, что уменьшения образования NО_Х можно достичь, реализовав мероприятия, направленные:

a) на снижение температуры горения;

b) уменьшение времени пребывания продуктов сгорания в области высоких температур;

c) создание зон реакций с восстановительной атмосферой (избыток воздуха меньше единицы), где образование N0 из азота топлива затруднено и восстановление оксидов азота идет до молекулярного азота.

Для снижения выбросов оксидов азота проводят следующие первичные или режимно-технологические мероприятия:

a) использование горелок с низким выбросом NО_Х (снижение NО_Х до 60 %);

b) ступенчатое сжигание топлива (снижение NО_Х на 35 - 45 %);

c) ступенчатую подачу воздуха (снижение NО_Х до 50 %);

d) рециркуляцию дымовых газов (снижение NО_Х до 33 %);

e) впрыск воды (или водомазутной эмульсии) в ядро факела (снижение NО_Х на 25-44 %);

f) комбинацию первичных мероприятий (снижение NО_Х до 90 %).

Первичные мероприятия малозатратны и поэтому их применяют, прежде всего, для обеспечения нормируемых выбросов оксидов азота.

Использование горелок с низким выбросом NО_Х

У горелок с низким выбросом NО_Х, которые созданы в многочисленных вариантах, организована ступенчатая подача воздуха. Принцип работы такой горелки заключается в следующем. В ядро факела подается количество воздуха, недостаточное для обеспечения полноты горения (кислородный «голод»), в то время как во внешнюю зону горения подается избыточное количество воздуха, чтобы обеспечить полноту сгорания топлива. Кроме того, конструкция горелки позволяет поддерживать рециркуляцию воздуха внутри зоны горения.

Применение этих горелок дает возможность снизить выбросы оксидов азота от 50 % для угольных котлов до 60 % для газомазутных котлов, не ухудшая технико-экономические показатели котла.

Ступенчатое сжигание топлива

При ступенчатом сжигании топлива горелки в топке котла размещают в несколько ярусов (обычно три-четыре яруса). Подача воздуха (избыток воздуха) изменяется тоже поярусно. Например, при двухступенчатом сжигании нижний ряд горелок получает недостаточное для стехиометрического горения количество воздуха, а верхние ряды горелок, наоборот, получают избыточное его количество.

Наилучший эффект дает трехступенчатое сжигание, прежде всего, на котлах с топками с жидким шлакоудалением, и особенно сжигание высокосернистых топлив при обеспечении минимальной газовой коррозии экранных труб.

Суть трехступенчатого сжигания состоит в том, что по высоте топочной камеры организуют три зоны. В первой (нижней) зоне топки сжигается основное количество топлива (70-85 %) при избытке воздуха близком к единице. На выход из зоны активного горения подается остальная часть топлива (15-30 %) и соответствующее количество воздуха с таким расчетом, чтобы суммарный избыток воздуха в ней составлял 0,9-0,95 (т.е. небольшой недостаток для полного сжигания топлива), благодаря чему в этой части топки создается зона с восстановительной средой, в которой продукты неполного горения (СО, Н₂, С_n,Н_m) восстанавливают уже образовавшиеся окислы азота N0 до N₂.

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема трехступенчатого сжигания топлива в топке котла (α - избыток воздуха)

Выше этой зоны в верхней части топки организуется зона дожигания оставшихся продуктов неполного сгорания с участием третичного воздуха, подаваемого под повышенным давлением через специальные сопла (рис. 3.1).

Уменьшение выбросов оксидов азота при ступенчатом сжигании топлива в среднем составляет: при сжигании угля - до 40 %, при сжигании - мазута - до 35 %, при сжигании природного газа - до 45 %. Использование ступенчатого сжигания топлива в топке котла приводит к снижению технико-экономических показателей котла. Увеличивается избыток воздуха на выходе из топочной камеры, и при этом возрастает температура газов на выходе из топки в среднем на 4-5 °С, а КПД котла снижается на 0,2-0,5 %. Кроме того, несколько увеличивается расход электроэнергии на собственные нужды, что приводит к дополнительному снижению КПД котла нетто на 0,1-0,8 %.

Рециркуляция дымовых газов

Рециркуляция дымовых газов из конвективной шахты в тракт воздуха осуществляется, как правило, с помощью дополнительного дымососа рециркуляции газов (ДРГ) (рис. 3.2).

Для улучшения перемешивания газов рециркуляции с воздухом, который поступает в топочную камеру, устанавливают смесители. Доля ре-циркулирующих газов обычно не превышает 20 %. Благодаря рециркуляции дымовых газов снижаются концентрация кислорода в зоне горения топлива и температура горения.

Рисунок 3.2 - Принципиальная схема рециркуляции дымовых газов котла с использованием дымососов рециркуляции газов, где

ДРГ - дымосос рециркуляции газов;

ДВ - дутьевой вентилятор;

ДС - дымосос;

РВП - регенеративный воздухоподогреватель;

СК - смесительная камера.

Уменьшение выбросов NО_Х при использовании данного метода может быть доведено:

- при сжигании угля до 25 %;

- при сжигании мазута до 30 %;

- при сжигании природного газа до 33 %.

Технико-экономические показатели при этом заметно ухудшаются. Возрастает расход электроэнергии на собственные нужды (за счет привода дымососов рециркуляции газов). Кроме того, растет температура уходящих газов, что приводит к снижению КПД котла на 0,6 - 1,3 %.

Иногда рециркуляцию дымовых газов осуществляют на всасе дутьевых вентиляторов, если при этом имеется достаточный запас их производительности. Доля рециркуляции при этом обычно не превышает 10 %. В этом случае также возрастает температура уходящих газов и снижается КПД котла, возрастают затраты электроэнергии на собственные нужды из-за роста расхода электроэнергии на дутьевые вентиляторы.

Впрыск воды в ядро факела

Впрыск воды или ввод водомазутной эмульсии в ядро факела снижает максимальную температуру в нем и тем самым препятствует образованию термических оксидов азота. Этот способ применяется по большей части в период неблагоприятных метеорологических условий в районах с повышенной фоновой концентрацией вредных веществ. Количество впрыскиваемой в топку котла воды составляет около 10 % расхода топлива.

Этот способ снижает выбросы NО_Х примерно на 25 % и одновременно снижает КПД котла приблизительно на 0,7 %. Эффективность впрыска воды в топку существенно уменьшается, если котел работает с рециркуляцией газов или в режиме ступенчатого сжигания топлива. По этой причине метод впрыска не получил широкого применения.

К вторичным мероприятиям по уменьшению выбросов NOx относятся Селективные системы очистки дымовых газов от NО_Х.

Для очистки дымовых газов котлов от оксидов азота используют селективный некаталитический (СНКВ) и каталитический (СКВ) методы восстановления NО_Х до молекулярного азота. В них в качестве восстановителя применяется аммиак. Некаталитические системы проще, их сооружение обходится не дороже замены горелок, а эффективность достаточно высока: выбросы оксидов азота снижаются на 40 - 60 %. Аммиак (аммиачная вода, карбамид) вводится в высокотемпературную (900 - 1100 °С) область газохода котла с газами рециркуляции, воздухом или паром. Сочетание технологических методов подавления оксидов азота с методом СНКВ при сжигании угля позволяет снизить концентрации оксидов азота в дымовых газах до 300 мг/м.

Важнейшей тенденцией является объединение этих двух технологий (СКВ и СНКВ). Этот процесс может осуществляться по следующей схеме: подача аммиака или мочевины в высокотемпературную зону (система СНКВ) приводит к частичному восстановлению NО_Х и повышению содержания аммиака в дымовых газах. Путем добавления в газоходы небольшого количества катализатора за счет аммиака удается обеспечить дополнительное восстановление NО_Х. Катализатор в этом случае размещают на поверхности воздухоподогревателя.

По сравнению с СКВ для системы СНКВ не нужны значительные инвестиционные затраты, однако эффективность этой системы очистки заметно ниже.

При необходимости с помощью СНКВ можно снизить выбросы NО_Х по сравнению с первоначальными вдвое, а с помощью селективного каталитического восстановления (СКВ) в 5 - 10 раз.

При практической реализации системы СНКВ возникает ряд трудностей:

a) невозможно обеспечить оптимальную температуру дымовых газов по всему сечению газохода;

b) невозможно предотвратить изменение температуры в реакционной зоне при изменении нагрузки котла;

c) недостаточна протяженность реакционной зоны для обеспечения необходимого времени протекания реакции;

d) невозможно распределить аммиак по сечению газохода так, чтобы везде соотношение NН₃/NО_Х было близко к оптимальному.

Таким образом, эффективность очистки зависит от конструктивных особенностей котла и его размеров.

Система каталитического восстановления NО_Х является наиболее эффективной и освоенной для уменьшения содержания оксидов азота в дымовых газах мощных паровых котлов.

Электронно-лучевой способ очистки дымовых газов от NO_X

Электронно-лучевой способ (ЭЛС) основан на облучении дымовых газов потоком b-частиц (электронов). В результате протекания радиационно-химических реакций образуются реакционно-активные компоненты О^-, ОН^-, Н^-₂. Они взаимодействуют с NО_Х, в результате чего получаются более высокие оксиды азота (NО₃), которые с водяным паром образуют пары азотной кислоты. При взаимодействии с аммиаком, который вводится в газоход до стадии облучения, получают твердый нитрат.

Этот способ позволяет улавливать до 90 % оксидов азота.

Достоинствами способа являются:

a) отсутствие отходов;

b) получение товарных продуктов;

c) возможность удобного размещения установки на действующих электростанциях.

К недостаткам ЭЛС следует отнести:

a) высокие капитальные затраты;

b) необходимость дополнительной очистки уходящих газов от твердых частиц нитрата аммония;

c) психологическое воздействие на людей понятия «радиационная защита».

За рубежом способ находится в стадии исследования.

Ввиду дороговизны данного способа, дополнительных эксплуатационных трудностей при работе с радиационно-опасным объектом строительство подобной установки в России в 1999 г. было приостановлено.

Заключение

Диоксид азота является частью группы газообразных загрязнителей воздуха, полученных в результате дорожно-транспортных и других процессов сжигания ископаемого топлива. Его присутствие в воздухе способствует формированию и изменению других загрязнителей воздуха, например, озона и твердых частиц, а также кислотных дождей.

Парниковая активность закиси азота в 298 раз выше, чем у углекислого газа. Все оксиды азота физиологически активны, относятся к третьему классу опасности.

Выбросы оксидов азота с каждым годом увеличиваются, поэтому выработка и применение методов снижения эмиссий данного парникового газа актуальны на сегодняшний день.

В данной работе были рассмотрены различные способы снижения выбросов оксидов азота. К первичным(малозатратным) мероприятиям относятся: использование горелок с низким выбросом NО_Х, ступенчатое сжигание топлива, ступенчатую подачу воздуха, рециркуляцию дымовых газов и впрыск воды. К вторичным мероприятиям относят способэлектронно-лучевой чистки дымовых газов и селективные системы очистки дымовых газов от NО_Х.

Список используемой литературы

1. Амбросов Д.Б. Контроль удельных выбросов оксидов азота ; // Автореферат дисс. на соиск. уч. степ: к.т.н. М.: МГАВТ. — 2004г.

2. Горбунов В.В., Патрахальцев H.H. Токсичность двигателей внутреннего егорания: Учеб. пособие. -М.: Изд-во РУДН, 1998.

3. Беликов С.Е., Котлер В.Р. Малые котлы и защита атмосферы. Снижение вредных выбросов при эксплуатации промышленных и отопительных котельных; Изд-во Энергоатомиздат, 1996 г.

4. Росляков П.В., Ионкин И.Л., Закиров И.А. Контроль вредных выбросов ТЭС в атмосферу; Изд-во МЭИ, 2004 г.

5. Ходаков Ю.С. Оксиды азота и теплоэнергетика; Изд-во ООО "ЭСТ-М", 2001 г.

6. Котлер В.Р. Экологические характеристики котельного оборудования (оксиды азота в дымовых газах котлов: образование и методы подавления); Изд-во ИПК госслужбы, 2001г.

7. http://altenergetics.ru/ecology

8. http://www.eclife.ru/data/tdata/td2-9.php

9. http://sir35.ru/Obrazovanie-dioksida-azota.html