Влияние условий приготовления топливовоздушных смесей на эмиссию оксида азота. В энергетике в основном применяется факельное сжигание, когда в топочную камеру через горелки подаются прямоточные или закрученные потоки смеси топлива с воздухом и чистого воздуха (а иногда еще и газы рециркуляции). Реже используется циклонный (вихревой) метод сжигания, когда часть топлива сгорает в пленке на поверхности циклона. При факельном сжигании газообразного топлива возможны кинетический (когда топливо до поступления в топочную камеру тщательно перемешивают со всем воздухом, необходимым для сгорания топлива) или диффузионный (когда топливо и воздух вводят в топку в виде отдельных струй) режимы.
Образование оксидов азота в этих режимах сжигания было сопоставлено в опытах на огневом стенде при сжигании природного газа и использовании горелки с подвижным газовым соплом. Поскольку при сжигании газа образуется в основном термический оксид азота (содержанием промотированного NO можно пренебречь), концентрация которого увеличивается с повышением температуры, измеренные концентрации NO в этих экспериментах позволяли сопоставить и температуры в камере сгорания. Для кинетического режима (сопло заглублено) при увеличении избытка воздуха концентрация NO и температура проходят через экстремальные значения при 4% -ном содержании O2 в продуктах сгорания. Когда газовое сопло было выдвинуто на срез горелки и процесс смешения топлива с воздухом был перенесен в камеру горения (диффузионный режим), концентрация NO, а, следовательно, и температура продуктов сгорания существенно снизились при избытках воздуха, соответствующих объемным концентрациям кислорода менее 6 %. И только при больших избытках воздуха диффузионный режим горения давал более высокую концентрацию оксидов азота, чем кинетический режим. Эти данные можно объяснить более высокой скоростью сгорания газа в кинетических условиях.
Аналогичные результаты были получены при сжигании угля с использованием вихревой горелки подачи пыли с высокой концентрацией, установленной на котле ПК-49 энергоблока 500 МВт . Наибольшее образование NOx наблюдается, когда пыль вводится в первичный воздух до горелок, обеспечивая тем самым наилучшее перемешивание топливовоздушного потока. Размещение сопла на срезе амбразуры горелки, когда реализуется диффузионный режим горения, приводит к снижению выброса оксида азота более чем в 2 раза.
В горелках энергетических котлов обычно только часть воздуха смешивается с топливом до поступления в топочную камеру, поэтому скорость процесса горения на разных этапах развития факела может определяться или кинетикой процесса, или скоростью диффузии кислорода. В связи с этим вид зависимостей эмиссии NO от коэффициента избытка воздуха будет определяться условиями смешения топливовоздушной смеси в применяемых горелках.
Конструкции горелок чрезвычайно разнообразны, так как диапазон изменения характеристик углей очень велик. Тем не менее все пылеугольные горелки имеют поток первичного воздуха, который смешивается с топливом до поступления в топку, и поток вторичного воздуха, который смешивается с аэросмесью после выхода из горелки.
Таким образом, проблема создания малотоксичных горелок -это в первую очередь проблема смешения топливовоздушной смеси. Вместе с тем она не может быть решена без учета закономерностей образования топливного и термического оксида азота при различных концентрациях кислорода.
Концепция двухступенчатого сжигания была использована при разработке, так называемых малотоксичных горелок типа SM (Stuf enmischbrenner). В англоязычной литературе эти горелки имеют абревиатуру AS (air-staging).
Факел малотоксичной горелки со ступенчатой подачей воздуха: 1 — первичный воздух; 2 — топливо и воздух; 3 — внутренний вторичный воздух; 4 — наружный вторичный воздух; 5 — зона внутренней рециркуляции; 6 — восстановительная зона; 7 — окислительная зона дожигания
Схематически факел такой горелки приведен на рисунке выше. Топливовоздушная смесь и внутренний вторичный воздух образуют восстановительную зону. Эти потоки организованы таким образом, что перед горелкой формируется зона с сильной внутренней рециркуляцией, обеспечивающая быстрый нагрев угольных частиц и выделение летучих веществ, которые сгорают в восстановительной зоне, что и приводит к понижению эмиссии NO.
Влияние избытка воздуха в восстановительной зоне SM-горелки на эмиссию NOx. для котлов мощностью 150-750 МВт
На рисунке выше приведены данные испытания SM-горелок фирмы Steinmiiller (Германия), установленных на котлах мощностью 150-750 МВт. Видно, что использование таких горелок позволяет снизить практически в 1,5—2 раза эмиссию NOx. Уже в 1986 г. в ФРГ эксплуатировалось около 400 таких горелок. Ими были оснащены котлы общей мощностью 19 000 МВт, включая блоки на 550 МВт.
В России аналогичная горелка разработана ВТИ.
На рисунке ниже приведен факел горелки, разработанной при использовании концепции трехступенчатого сжигания. Это так называемые горелки типа MSM (Mehrfachstufenmischbreimers). В англоязычной литературе их называют air/fuel staging at a LNB.
Факел малотоксичной горелки со ступенчатой подачей воздуха и топлива: 1 — первичный воздух; 2 — первичное топливо и воздух; 3 — вторичный воздух; 4 -вторичное топливо и воздух; 5 — третичный воздух; 6 — зона внутренней рециркуляции; 7 — первичная зона горения; 8 — восстановительная зона дожигания; 9 — окислительная зона
Так же как и в MS-горелке, первичное топливо и вторичный воздух формируют первичную зону горения с небольшим недостатком кислорода и зону с интенсивной рециркуляцией, что обеспечивает высокую стабильность пламени в широком интервале нагрузок. Добавка вторичного топлива приводит к появлению восстановительной зоны, в которой первично образующийся NO восстанавливается до молекулярного азота. В третьей зоне за счет подачи дополнительного воздуха коэффициент избытка воздуха становится выше 1, что обеспечивает дожигание продуктов неполного сгорания.
Эффективность горелки в подавлении NOx определяется соотношением количеств первичного и вторичного топлива. Оптимальным является подача 20-30 % вторичного топлива, что обеспечивает снижении эмиссии N0x при сжигании каменного угля на 30-40 %.
Качественное и современное немецкое оборудование для выращивания монокристаллов.