Методы подавления образования окислов азота в топках котлов

Окислы азота вредно действуют на органы дыхания живых организмов и вызывают ряд серьёзных заболеваний, а также разрушающе действуют на оборудование и материалы, способствуют образованию смогов и ухудшению видимости. Окислы азота чрезвычайно токсичны. Так, максимально-разовая предельно допустимая концентрация двуокиси азота почти в 6 раз ниже, чем ПДК для сернистого ангидрида, и в 30 раз меньше, чем для окиси углерода. (ПДК двуокиси азота: максимально-разовая и среднесуточная составляет 0,085 мг/м³).

Окислы азота образуются за счёт окисления содержащегося в топливе азота и азота воздуха и содержатся в продуктах сгорания всех топлив — углей, мазутов и природного газа. Условием окисления азота воздуха является диссоциация молекулы кислорода воздуха под действием высоких температур в топке (1900;2000 ^оС). В результате реакций в топочной камере образуется в основном окись азота NO (более 95%). Образование двуокиси азота NO₂ за счёт доокисления NO требует значительного времени и происходит при низких температурах на открытом воздухе.

Образование окислов азота в процессе горения топлива уменьшается при снижении температуры горения, при сокращении времени пребывания азота и кислорода в высокотемпературной части факела, а также при уменьшении количества свободного кислорода в факеле. Анализ основных факторов, влияющих на образование окислов азота, позволяет наметить методы их подавления в топке.

Радикальным способом снижения образования окислов азота является организация двухстадийного сжигания топлива, т. е. применение двухступенчатых горелочных устройств. По этому методу в первичную зону горения подаётся 50−70% необходимого для горения воздуха, остальная часть воздуха (50−30%) поступает во вторую зону, где происходит дожигание продуктов неполного сгорания. Отвод теплоты из первичной зоны горения должен быть достаточно большим, чтобы заключительная стадия процесса горения происходила при более низкой температуре. Примерно тот же эффект происходит при получении растянутого по длине топочной камеры факела, что должно обеспечивать значительное снижение температурного уровня в топке и соответственно уменьшение образования окислов азота.

Вторым методом подавления образования окислов азота в топке является рециркуляция дымовых газов в топочную камеру. В этом случае дымовые газы при температуре 300−400 ^оС забираются из конвективной шахты котла и подаются в топочную камеру. Ввод газов в топочную камеру может осуществляться через шлицы под горелками, через кольцевой канал вокруг горелок или путём подмешивания газов в воздух перед горелками.

Как показали исследования, наиболее эффективным оказался второй способ, при котором происходит наибольшее снижение температуры в ядре факела. Подмешивая до 20−25% дымовых газов, удаётся снизить содержание окислов азота на 40−50%. Рециркуляция газа, наряду с уменьшением температуры горения, приводит к снижению концентрации кислорода, т. е. уменьшению скорости горения, растягиванию зоны горения и более эффективному охлаждению этой зоны топочными экранами.

Подача воды и пара в зону горения также приводит к снижению образования окислов азота. Ввод воды или водяного пара в количестве 5−10% всего количества воздуха снижает температурный уровень в топке, так же как и при вводе рециркулирующего газа. Снижение температуры подогрева и уменьшение избытка воздуха в топке тоже несколько уменьшает образование окислов азота как за счёт снижения температурного уровня в топке, так и за счёт уменьшения концентрации свободного кислорода.

Перечисленные способы при комплексном их использовании могут существенно снизить образование окислов азота в топке [23].