Схематически технология трехступенчатого сжигания и характер изменения концентрации NOx по высоте топки приведены на рисунке ниже.
В первичной зоне сжигается до 80-90 % топлива с α = 1,05+1,15, оставшееся топливо формирует восстановительную зону с α = 0,7+0,9. За счет дополнительной подачи воздуха в
зону дожигания продуктов неполного сгорания в ней поддерживается α ~ 1,15. При такой схеме сжигания основное количество NO образуется в первичной зоне, в которой развивается наибольшая температура и образуются как топливный, так и термический оксид азота. В восстановительной зоне концентрация NO существенно снижается. Теоретически в этой зоне может быть восстановлен до молекулярного азота весь NO. Однако в реальных условиях обеспечить необходимое для этого смешение подаваемого восстановителя с продуктами горения первичной зоны не удается, поэтому достигаемое снижение концентрации NO в этой зоне зависит от конструктивных особенностей системы раздачи вторичного топлива по сечению топки. Обычно для подачи вторичного топлива используются воздух или дымовые газы. Поскольку топливо, подаваемое в восстановительную зону, имеет более низкое время пребывания в топке, для уменьшения образования продуктов недожога в качестве вторичного топлива обычно используют природный газ, мазут или уголь тонкого помола.
Схема трехступенчатого сжигания
В третьей зоне концентрация NO вновь возрастает. Однако в этой зоне сгорает лишь небольшая доля топлива и соответственно развивается сравнительно низкая температура, обеспечивающая пониженное образование термического оксида азота, а при использовании в качестве вторичного топлива мазута и угля -топливного оксида азота.
В результате проведенного исследования было установлено, что значение избытка воздуха в первичной зоне оказывает существенное влияние на эмиссию NO. Поэтому оптимально для первичной зоны 1,1< α >1,05. Значение а в зоне дожигания не оказывает существенного влияния на концентрацию NO. Воздух в котлы подаётся при помощи дутьевых вентиляторов. Дутьевой вентилятор ВН-2 доступен на http://вн-2.рф.
На рисунке ниже в качестве примера приведены данные исследования по влиянию а в восстановительной зоне на эмиссию NO, полученные на стендовой установке при сжигании каменного угля месторождения Utah (США). В качестве вторичного топлива использовали тот же уголь и природный газ.
Влияние а в восстановительной зоне на эмиссию NO (сухой газ, 0 % O2), по данным стендовых испытаний, при сжигании в качестве основного топлива каменного угля месторождения Utah (США) и в качестве вторичного, тот же уголь и природный газ
Были проведены две серии опытов, отличающиеся значениями эмиссии NO при традиционном сжигании с α = 1,1. Как следует из рисунка выше, в первом случае концентрация NO составляла 190, во втором — 630 млн -1. Видно, что при использовании в качестве вторичного топлива природного газа в обеих сериях опытов наблюдалось существенное снижение эмиссии N0 при переходе от традиционного сжигания при α =1,1 к трехступенчатому уже при α =1 в зоне восстановления. Для принятой системы раздачи вторичного топлива изменение α от 0,7 до 1,0 не оказывало существенного влияния на эффективность процесса.
Применение в качестве вторичного топлива угля при высоких концентрациях NO в топке приводит к максимальному снижению эмиссии NO при α = 0,9. Дальнейшее снижение концентрации кислорода приводит к увеличению концентрации NO. При низкой концентрации N0 использование в качестве вторичного топлива угля приводит при переходе от традиционного к трехступенчатому сжиганию к повышению эмиссии NO, что, вероятно, обусловлено образованием в зоне дожигания значительных количеств топливного оксида азота из N-содержащихся соединений вторичного топлива.
Влияние температуры в восстановительной зоне на эффективность снижения эмиссии NO изучено недостаточно. По некоторым данным, эта температура должна быть более 1200 °С. Примерно равная эффективность трехступенчатого сжигания отмечена при температуре 1400-1560 °С; в исследовании, проведенном при варьировании температуры 1200-1300 °С, наибольшее снижение эмиссии NO наблюдали при 1200 °С. Вероятно, эти различия в оптимальной температуре обусловлены объективными причинами: различием в видах используемого первичного и вторичного топлива, содержанием в нем N-содержащих соединений, концентрациями NO и кислорода после первичной зоны, временем пребывания продуктов горения в восстановительной зоне и качеством смешения вторичного топлива с дымовым газом.
В целом, путем снижения избытка воздуха и формирования восстановленной зоны удается обеспечить снижение эмиссии NO на 53-68 %. Если же исключить влияние на образование NO уменьшение а, то эффективность трехступенчатого сжигания может составить 36-55 %.
На практике эффективность снижения эмиссии NO при ступенчатом сжигании в Германии и США оценивается соответственно 30 и 45 %. В России удалось достичь эффективности в 45-50 %.