Снижение содержания оксидов азота и серы в продуктах сгорания

При сжигании в топках котлов угольной пыли, как и при сжигании газового и жидкого топлив, образуются различные оксиды азота, оказывающие вредное влияние на организм человека и животных. По данным Я.Б. Зельдовича, скорость образования оксида азота подчиняется следующей закономерности:

где О₂, NO и N₂ — содержания кислорода, оксида азота и азота в газовой смеси; τ — время.

С уменьшением температуры резко снижается равновесная концентрация оксида азота и увеличивается время, необходимое для достижения этой концентрации. Для котлов, имеющих в топочной камере температуру 1400— 1500 °С, время пребывания газов в несколько десятков раз меньше времени, необходимого для достижения равновесной концентрации оксида азота. Количество образовавшегося здесь оксида азота достигает 5—15 % равновесного количества. С изменением коэффициента избытка воздуха меняется содержание оксидов азота в продуктах сгорания. Наибольшее их образование происходит при коэффициенте избытка воздуха

где Qр—теплота сгорания топлива; V_в⁰ — теоретический расход воздуха; Т_макс — теоретическая температура горения; Е — энергия активации; с_т — средняя теплоемкость продуктов сгорания. Например, при сжиганин АШ максимальное количество оксидов азота имеет место при α = 1, 18.

Условиями, способствующими образованию и сохранению оксидов азота, являются высокие начальные концентрации азота и свободного кислорода в газовой смеси, высокая температура смеси, увеличение времени пребывания смеси при высокой температуре, быстрое охлаждение смеси. При сжигании АШ в топках котлов содержание оксидов азота составляет 0, 25—1 г/м³ и более. Большой выход оксидов азота в топках котлов связан с быстрым охлаждением продуктов сгорания, протекающим со скоростью 500—2000 °С/с.

Степень перехода малоактивного оксида азота NO в ядовитый диоксид азота NО₂зависит в основном от температуры и парциального давления кислорода. При температуре выше 800 °С равновесная смесь будет состоять преимущественно из оксида азота, а при температуре ниже 200 °С — из диоксида азота. В пределах 200—800 °С возможно существование оксида и диоксида азота.

В условиях работы котлов с учетом времени пребыва­ния продуктов сгорания в газоходах равновесного состояния для газа не обеспечивается. Практически продукты сгорания перед дымовой трубой содержат 98—99 % оксида и 1—2 % диоксида азота.

Ориентировочно концентрацию оксидов азота в продуктах сгорания можно определить по эмпирической зависимости И. Я. Сигала:

гдеC_No₂ —суммарная концентрация оксидов азота (в пересчете на диоксид азота), г/м³; А — коэффициент, принимаемый равным 0, 184 при определенииq_v в кВт/м³; D_э — эквивалентный диаметр топочной камеры, м; q_v — объемная плотность тепловыделения в топке, кВт/м³; α _т — коэффициент избытка воздуха в топке (горелке).

Зависимость (8.6) справедлива для малых значений α _т (1, 03—1, 16). При α _т> 1, 2 концентрация NО₂ становится обратно пропорциональной α _т.

Снижение содержания оксидов азота в уходящих газах котлов при сжигании топлива достигается снижением температуры в топке (особенно локальных ее значений), сжиганием топлива с минимальными а и др. Для этого применяют двухступенчатое сжигание топлива, используют вместо вихревых прямоточные горелки, дающие ухудшенное смесеобразование, применяют рециркуляцию газов. Уменьшение содержания оксидов азота в газах обеспечивается также при применении топок с пересекающимися струями, впрыском воды в зону интенсивного горения и др.

При сжигании твердого топлива содержащаяся в нем сера выделяется в основном в виде SО₂ и в значительно меньших количествах в виде SО₃. Образование SО₃, как и при сжигании жидкого топлива, способствует наличие в продуктах сгорания избыточного кислорода. Серная кислота, образующаяся при взаимодействии SO₃ с водяными парами, вызывает коррозию низкотемпературных поверхностей нагрева. Содержание серного ангидрида существенно повышает температуру точки росы (до 140 °С), что ограничивает глубину охлаждения газов и снижает экономичность котельной установки. Для уменьшения содержания в продуктах сгорания серного ангидрида сжигание твердого топлива ведут с относительно небольшим избытком воздуха.

При совместном присутствии в атмосферном воздухе веществ, обладающих суммарным вредным воздействием на человека (NО₂, SО₂, SO₃, NH₃и др.), сумма их относительных концентраций не должна превышать единицы:

где 0, 085; 0, 5; 0, 25; 0, 2 — соответственно предельно допус­тимые концентрации (ПДК) в атмосферном воздухе для NО₂, SО₂, SO₃, NH₃, мг/м³. Установлены также нормативы предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ.