Этот метод является универсальным для снижении эмиссии топливных и термических оксидов азота при сжигании всех видов топлива.
На рисунке ниже приведены данные лабораторного исследования, иллюстрирующие эффективность двухступенчатого сжигания угля. Кривые 1 и 2, характеризующие изменения концентрации N0t вдоль длины камеры сжигания, получены в опытах при недостатке и избытке воздуха; а для этих случаев соответственно равен 1,12 и 0,83. Видно, что концентрация NOx при α= 1,12 непрерывно увеличивается со временем и достигает своего максимального значения (около 700 мг/м3) практически через 0,4 с. При недостатке кислорода концентрация NOx со временем горения проходит через максимум, который достигается менее чем за 0,17 с. Вид кривой можно объяснить тем, что скорость образования NO при горении значительно превышает скорость нейтрализации образующегося оксида азота. При этом интересно отметить, что максимально достигаемая концентрация NOx в этом опыте примерно соответствует максимальному значению, наблюдаемому в опыте, описываемом кривой 1. Поэтому не вызывает сомнений, что и при недостатке воздуха образуются топливный и термический оксиды азота. В дальнейшем наблюдается непрерывное снижение концентрации NO; примерно через 1,25 с он полностью исчезает в дымовом газе. Таким образом, сжигание топлива при недостатке кислорода позволяет существенно снизить эмиссию как топливных, так и термических NО.
Изменение концентрации NOx вдоль факела при сжигании угольной пыли и ступенчатой подачи воздуха. 1 — α=1,12; 2 — α=0,83; 3 — α=0,83, через 0,41 с вводится воздух, Δα=0,29; 4 — α=0,83, через 0,75 с вводится воздух, Δα=0,29; 5 — α=0,83, через 1,25 с вводится воздух, Δα=0,29
Опыты, описываемые кривыми 3-5, моделируют двухступенчатое сжигание, при реализации которого через строго заданные отрезки времени в факел горения угля с недостатком воздуха (α=0,83) добавляли последний в таком количестве, чтобы в конце топки достигался α=1,12.
Видно, что минимальные количества NО (примерно 290 мг/м3) образовывались при добавлении воздуха через 0,75-1,25 с. При этом эффективность снижения NОx достигала 58 %. При более раннем введении воздуха эффективность подавления NO не превышала примерно 30 %.
Таким образом, данные рисунка выше экспериментально обосновывают метод двухступенчатого сжигания. При этом можно сделать важные практические выводы. Поскольку в восстановительной зоне весь образовавшийся вначале NO со временем восстанавливается, то в этой зоне оптимальным является хорошее смешение воздуха с топливом. Интервал времени, после которого в факел вводится воздух, должен быть оптимизирован. Слишком ранний ввод воздуха для дожигания может существенно снизить эффективность технологии. Поздняя подача воздуха не приводит к повышению эффективности технологии.
При сжигании N-содержащего топлива для объяснения найденных закономерностей рассмотрим химические процессы, протекающие в восстановительной зоне. Было высказано предположение о том, что при горении N-содержпщих топлив при α>1 эти соединения превращаются в аммиак и HCN. При сжигании топлива с недостатком кислорода возможность превращения N-содержащих соединений в аммиак и HCN доказана не только экспериментально. В 1929 г. до 17,8 % аммиака в мире получали путем термической переработки угля.
При пиролизе гранулированного угля выход аммиака составил 11-25 %, выход циана — 1,6-4,2 % общего содержания азота в угле. При обработке угля паровоздушной смесью выход аммиака мог быть увеличен до 60-70 %. Наконец, при использовании кипящего слоя пылевидного угля выход аммиака был на уровне 60-90 %.
Таким образом, можно полагать, что наблюдаемое в опыте, соответствующем кривой 2 рисунка выше, снижение концентрации оксида азота со временем обусловлено селективным некаталитическим восстановлением NO по реакции с аммиаком. Вместе с тем нельзя также исключить нейтрализацию части NO по реакции с коксом.
Вероятно, образовавшийся в восстановительной зоне аммиак лишь частично прореагировал с оксидом азота. Непрореагировавшая часть NH3 в высокотемпературной зоне в присутствии частиц кокса и золы каталитически разлагается на молекулярные водород и азот и окисляется до NO при вводе в зону горения дополнительного воздуха. Протеканием этих двух процессов можно объяснить в соответствии с данными, приведенными на рисунке выше, появление некоторого критического времени до ввода воздуха для дожигания, необходимого для обеспечения минимальной эмиссии NO.
При сжигании природного газа при недостатке кислорода восстановление NО, происходит по реакциям с аммиаком и HCN.
В связи с этим отметим, что образование HCN из метана и молекулярного азота при температурах горения топлива в топке котлов экспериментально доказано. В присутствии водяных паров HCN превращается в аммиак. Поэтому нами также не исключается возможность денитрификации по механизму, описанному выше.
Можно сказать следующее:
- степень денитрификации определяется стехиометрическим соотношением восстановителя и кислорода и не зависит от природы восстановителя (СН,, СО, Н2, С2Н6);
- денитрификация в присутствии метана протекает в широком температурном интервале даже при сравнительно низких температурах (650-1200 °С), когда трудно допустить существенное образование аммиака и HCN;
- денитрификацию в восстановительной зоне в равной мере можно объяснить также неселективным некпталитическим восстановлением по реакциям с углеводородами и углем.
Круглосуточный прием металлолома в СпБ.