Лисиенко Ресурсы и факторы управления в енергосбережении 2011

Рис. 5.5 и 5.6 иллюстрируют достаточно хорошую организацию процесса горения в лабораторной печи струйно-факельного нагрева, а также сравнительно небольшую эмиссию NОх. Очень тщательные измерения NOх в этих экспериментах показали также хорошие совпадения с расчетными данными.

Рис. 5.5. Концентрация NОх и СО на выходе из печи в функции тепловой мощности печи. Линия – расчет, точки – эксперимент

Рис. 5.6. Зависимость эмиссии NОх от температуры подогрева воздуха для горения

81

Отметим также, что снижение температуры кладки при струйнофакельном отоплении обеспечивали перманентно низкий уровень эмиссии оксидов азота вплоть до температур подогрева воздуха 650 °С. В то же время традиционные зарубежные горелки, имея на выходе горелочные туннели, дают пик температуры пламени до 2000–2200 °С, что приводит к увеличению эмиссии NОх на порядок по сравнению с эмиссией при струйно-факельном отоплении.

Полученные на лабораторной печи экспериментальные и расчетные данные по эмиссии оксидов азота вполне корреспондируются с практикой промышленной эксплуатации печей струйно-факельного отопления на Северском трубном и Первоуральском новотрубном заводах (разработки ВНИИМТ и УГТУ-УПИ). Разработка модельной оценки эмиссии оксидов азота приводит к выводу, что модель расчета позволяет с хорошей точностью прогнозировать эмиссию оксидов азота как для диффузионных, так и для гомогенных факелов в широком диапазоне конструктивных и режимных параметров. Предлагаемая методика дает контролируемую точность при вычислении концентрации быстрых оксидов азота, поскольку опирается на широко апробированный пакет GRI-Месh и, следовательно, учитывает весь спектр химических реакций, входящих в этот пакет. Модель также позволяет количественно оценить многие практические методы подавления выбросов оксидов азота.

5.3.Основные факторы, определяющие эмиссию оксидов азота,

имероприятия по снижению эмиссии

Всвязи с трудностями очистки отходящих продуктов сгорания от содержания оксидов азота и значительной токсичностью этих вредных выбросов в практике энерготехнологий уделяется положительное внимание созданию технологических условий резкого снижения эмиссии оксидов азота. Идет своеобразное соревнование различных стран и фирм за создание условий и топливосжигающих устройств с низким выбросом оксидов азота (LоωNOх).

Вусловиях реальных энерготехнологических агрегатов на образование оксидов азота влияет множество факторов, которые условно можно разделить на следующие группы.

82

1.Конструкция горелки (схема подачи топлива, воздуха, рециркуляция продуктов сгорания: внутренняя – из объема топки или внешняя – из дымовой трубы и др.).

2.Конструктивные особенности печи (температура в камере горения).

3.Эксплуатационные параметры (коэффициент расхода воздуха, состав топливного газа, температура воздуха, содержание азота

вжидком топливе и др.).

При оценке реальных выбросов NOx следует учитывать все факторы, которые вызывают повышение температуры факела и, следовательно, способствуют образованию NOx.

Можно оценить реальное (ожидаемое) образование NOx в реальной топке печи по формуле:

NOx = ( NOx )общ = (NOx )баз k1 k2 k3 k4 k5 k6 k7 k8 , (5.20)

где k1 – коэффициент, учитывающий влияние температуры камеры сгорания на образование NOx; k2 – коэффициент, учитывающий влияние расхода воздуха на выбросы NOx; k3 – коэффициент, учитывающий влияние содержания водорода в топливном газе на выбросы NOx ; k4 – коэффициент, учитывающий образование NOx при различном содержании С3Н8; k5 – коэффициент, учитывающий влияние температуры воздуха на выброс; k6 – коэффициент, учитывающий образование NOx при различном содержании азота в жидком топливе; k7 – коэффициент, учитывающий шаг моделирования; k8 – коэффициент, учитывающий расположение горелок; (NOx)баз – значение содержания NOx в уходящих газах при испытаниях.

Температурный фактор. Все исследователи приходят к выводам, что образование оксидов азота в значительной степени определяется уровнем температур в локальном объеме пламени при избыточной концентрации азота N2 и кислорода О2 (см. п. 5.2). В исследованиях также обращается внимание на необходимость учета пульсационной составляющей температуры. В случае обогащения воздуха кислородом (например, в погружных факелах) играет роль снижение содержания молекулярного азота в окислителе.

Одним из мощных факторов, влияющих на теоретическую температуру горения топлива и на образование оксидов азота в продуктах сгорания, является температура подогрева воздуха для го-

83

рения. Многие исследователи обрабатывали экспериментальные данные статистическими методами и получали зависимость выхода оксидов азота в функции температуры подогрева воздуха Тв.

Так, весьма типичной является эмпирическая формула, полученная Е.Л. Медиокритским с коллегами в условиях кузнечной нагревательной печи в диапазоне температур Тв = 100–400 °С, вида

[NOx ]= 109,6 − 1,133 Тв + 0,00454 Тв2 .

(5.21)

Как видим, весьма типичной является квадратичная зависимость концентрации [NOx] от температуры подогрева воздуха.

По данным Д. Зуккера и Т. Лемкюлера, зависимость концентрации оксидов азота в сухих продуктах сгорания с коэффициентом расхода воздуха α = 1 (для нагревательных и термических печей) может быть представлена в упрощенном виде:

			10600
	[NOx ] = 2,04 105 ехр	−				мг/м3 , (5.22)
			(0,3 Тк + Тв	+ 800)

где Тк – средняя температура в рабочем пространстве печи, К; Тв – температура воздуха для горения, К.

Расчет по формуле (5.21) с экстраполяцией на температуры выше 400 °С приведен на рис. 5.7.

Рис. 5.7. Зависимость концентрации [NOx] в продуктах сгорания: 1 – по формуле (5.21); 2, 3 – по формуле (5.22);

2 – при Тк = Тух = 1300 °С;

3 – то же, но при 1500 °С

84

По кривой 1 можно наглядно наблюдать некоторые применяемые на практике положения. Так, по данным Е.Л. Медиокритского, подогрев воздуха до 315 °С дает увеличение концентрации оксидов азота в 2,5 раза по сравнению с отсутствием подогрева воздуха. При повышении температуры подогрева воздуха до 535 °С концентрация NOx возрастает уже в 5 раз.

Интересно, что экстраполяция формулы (5.21) на температуры воздуха до 900–1000 °С дает значения содержания оксидов азота около 2500–3000 мг/м3, что, в частности, соответствует предельным нормам для регенеративных стекловаренных печей и вообще характерно для высокотемпературных плавильных печей.

На рис. 5.7 также приведены результаты расчетов по формуле (5.22) для температуры Тк = 1573 К (кривая 2) и с экстраполяцией на более высокую температуру, характерную, например, для стекловаренных печей Тк = 1773 К (кривая 3). Отметим, что формула (5.22) не учитывает роль топливосжигающего устройства и длины факела в образовании NOx, и она, естественно, может применяться при оценочных расчетах.

Имеющие данные об изменении температуры газов по длине факела позволяют выдвинуть гипотезу, что укорочение факела стимулирует образование NOx. При этом увеличивается максимум температуры факела, и этот максимум смещается к началу рабочего пространства печи, что увеличивает время пребывания газов в зоне относительно высоких температур. С укорочением факела уменьшается и время пребывания газов в зоне относительно низких температур при относительно малых значениях [О2] и [N2] и, наоборот, возрастает время пребывания в зоне высоких температур, так как за пределами длины подсоса факел размывается, и скорости газов по объему рабочего пространства выравниваются.

Интересно, что факторы, отмеченные как повышающие выход NOx (подогрев воздуха для горения, обогащение воздуха кислородом – до определенного предела), одновременно и способствуют укорочению факелов.

Увеличение светимости факела увеличивает теплоотдачу, что приводит к снижению температуры газов и способствует снижению образования NOx.

85

Внедавнее время появились данные о возможности существенного снижения содержания оксидов азота при использовании мочевины (в том числе и с катализаторами), а также при добавке природного газа в отводящие тракты печей с его последующим дожиганием.

Усовершенствование конструкции горелки. Уменьшить об-

разование NOx можно, применяя в конструкции горелки различные способы сжигания топлива: ступенчатую подачу воздуха, ступенчатую подачу топлива, рециркуляцию продуктов сгорания (внутренняя – продукты сгорания из объема топки или внешняя – продукты сгорания из дымовой трубы) и т. д.

Вэтом плане мощным фактором подавления оксидов азота является двухстадийное сжигание топлива, приводящее к снижению максимальной температуры горения и выравниванию температурных полей в рабочем пространстве энерготехнологических агрегатов. К такому же результату приводит и организация рециркуляции продуктов сгорания, также обеспечивающая выравнивание температур и снижение максимума температуры пламени

(рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схема рециркуляционного устройства с использованием эжектора-смесителя:

1 – горелочное устройство; 2 – эжектор-смеситель; 3 – исходная струя факела горения; 4 – факел горения после смесителя;

5 – рециркуляционные продукты сгорания

86

Табл. 5.1 представляет роль различных факторов конструкции горелки в снижении эмиссии NOx.

Таблица 5.2

Зависимость снижения выбросов в атмосферу оксидов азота от конструкции горелки

	Тип горелки по механизму	Снижение выделения NOx
		по сравнению с обычной
	организации горения	горелкой без предварительного
		смешения, %
	Ступенчатая подача воздуха	25–35
	Ступенчатая подача топлива	40–50
	Горелки с низким избытком воздуха	20–25
	Горелки с внутренней рециркуляцией	40–50
	продуктов сгорания
	Горелки с внешней рециркуляцией	50–60
	Ступенчатая подача воздуха или топ-	55–75
	ливного газа с внутренней рециркуля-
	Ступенчатая подача воздуха или топ-	60–80
	ливного газа с внешней рециркуляцией

Инжекционные горелки имеют более высокие выбросы NOx по сравнению с диффузионными горелками такой же тепловой мощности. Благодаря предварительному смешению топлива с воздухом, инжекционные горелки имеют более короткий факел с зонами более высоких температур по сравнению с диффузионными горелками, что способствует образованию NOx.

Конструктивные особенности печи и способы отопления.

Графики 1–5 (рис. 5.9–5.12), по данным американских исследователей, представляют характерные зависимости эмиссии NOx от различных факторов в камерах сгорания.

Образование NOx при сжигании жидкого топлива значительно выше, чем при сжигании газа, что связано с содержанием в жидком топливе азота, входящего в состав органических соединений.

87

Рис. 5.9. Образование NOх увеличивается с ростом температуры

Рис. 5.10. Образование NOx растет с увеличением коэффициента расхода (избытка) воздуха

88

89

Рис. 5.11. Образование NOx зависит от состава топливного газа

Рис. 5.12. Образование NOx сильно растет с увеличением температуры подогрева воздуха для горения

Приведем ряд конкретных примеров использования технологических приемов подавления образования NOx.

1. Важнейшим условием подавления выбросов NOх является, как это показано, снижение максимальных температур горения.

В ряде случаев уровень температурной интенсификации может быть ограничен именно ростом величины вредных выбросов. На

90