Зниження вмісту оксидів азоту і сірки в продуктах згоряння

При спалюванні в топках котлів вугільного пилу, як і при спалюванні газоподібного і рідкого палив, утворюються різні оксиди азоту, які мають шкідливий вплив на організм людини і навколишнє середовище. Швидкість утворення оксиду азоту описується наступною закономірністю:

(4)

де О₂, NО і N₂ - вмісту кисню, оксиду азоту і азоту в газовій суміші; τ - час.

З зменшенням температури різко знижується рівноважна концентрація оксиду азоту і збільшується час, необхідний для досягнення цієї концентрації. Для котлів, які мають в топковій камері температуру 1400-1500°С, час перебування газів є в декілька десятків разів меншим від часу необхідного для досягнення рівноважної концентрації оксиду азоту. Кількість утвореного тут оксиду азоту досягає 5-15 % від рівноважної кількості. З зміною коефіцієнта надлишку повітря змінюється і вміст оксидів азоту в продуктах згорання. Найбільше їх утворення відбувається при коефіцієнті надлишку повітря

(5)

де - теплота згорання палива; - теоретична витрата повітря; Т_max - теоретична температура горіння; Е - енергія активації; с_т - середня теплоємність продуктів згорання.

Наприклад, при спалюванні АШ максимальна кількість оксидів азоту має місце при α = 1,18.

Умовами, які сприяють утворенню і збереженню оксидів азоту, є високі початкові концентрації азоту і вільного кисню в газовій суміші, висока температура суміші, збільшення часу перебування суміші при високій температурі, швидке охолодження суміші. При спалюванні АШ в топках котлів вміст оксидів азоту складає 0,25-1 г/м³ і більше. Великий вихід оксидів азоту в топках котлів пов'язаний з швидким охолодженням продуктів згорання, що протікає із швидкістю 500-2000°С/с.

Ступінь переходу малоактивного оксиду азоту NО в отруйний диоксид азоту NО₂ залежить в основному від температури і парціального тиску кисню. При температурі вище 800°С рівноважна суміш складатиметься переважно з оксиду азоту, а при температурі нижче 200°С - з диоксиду азоту. В межах 200-800°С можливе існування оксиду і диоксиду азоту.

В умовах роботи котлів, з врахуванням часу перебування продуктів згорання в газоходах, рівноважного стану для газу не забезпечується. Практично продукти згорання перед димарем містять 98-99 % оксиду і 1-2 % диоксиду азоту.

Орієнтовану концентрацію оксидів азоту в продуктах згорання можна визначити по емпіричній залежності:

(6)

де С_NO2 - сумарна концентрація оксидів азоту (в перерахунку на диоксид азоту), г/м³; А - коефіцієнт, який приймається рівним 0,184 при визначенні q_V в кВт/м³; D_е - еквівалентний діаметр топкової камери, м; q_V - об'ємна густина тепловиділення в топці, кВт/м³; α_т - коефіцієнт надлишку повітря в топці (пальнику).

Залежність (6) справедлива для малих значень α_т (1,03-1,16). При α_т>1,2 концентрація NO₂ стає обернено пропорційною α_т.

Зниження вмісту оксидів азоту у відхідних газах котлів при спалюванні палива досягається зниженням температури в топці (особливо локальних її значень), спалюванням палива з мінімальними α і ін. Для цього застосовують двоступінчате спалювання палива, використовують замість вихрових прямоточні пальники, які дають погіршене сумішоутворення, застосовують рециркуляцію газів. Зменшення вмісту оксидів азоту в газах забезпечується також при використанні топок з пересічними струменями, вприскуванням води в зону інтенсивного горіння і ін.

При спалюванні твердого палива в якому міститься сірка вона виділяється в основному у вигляді SO₂ і в значно менших кількостях у вигляді SO₃. Утворенню SO₃, як і при спалюванні рідкого палива, сприяє наявність в продуктах згорання надлишкового кисню. Сірчана кислота, яка утворюється при взаємодії SO₃ з водяними парами, викликає корозію низькотемпературних поверхонь нагріву. Вміст сірчаного ангідриду істотно підвищує температуру точки роси (до 140 °С), що обмежує глибину охолодження газів і знижує економічність котельної установки. Для зменшення вмісту в продуктах згорання сірчаного ангідриду спалювання твердого палива ведуть з відносно невеликим надлишком повітря.

При сумісній присутності в атмосферному повітрі речовин, які володіють сумарною шкідливою дією на людину (NО₂, SO₂, SO₃, NН₃ і ін.), сума їх відносних концентрацій не повинна перевищувати одиниці:

(7)

де 0,085; 0,5; 0,25; 0,2 - відповідно гранично допустимі концентрації (ГДК) в атмосферному повітрі для NО₂, SO₂, SO₃, NН₃, мг/м³.