2. Вплив оксидів азоту на довкілля
Оксид азоту є природним компонентом атмосфери. Однак інтенсивне використання штучних азотних добрив та спалювання викопного палива в двигунах внутрішнього згоряння становить більшу частину антропогенних викидів оксиду азоту. На нього припадає близько 6% глобального потепління. Якщо загальне щорічне виділення оксидів азоту у світі оцінювалося 1967 р. в 53 млн. т, то вже 1995 р. воно становило 130 млн. т.
Парникова активність закису азоту в 298 разів вища, ніж у вуглекислого газу. Усі оксиди азоту фізіологічно активні, відносяться до третього класу небезпеки. Оксид азоту N2O має наркозний ефект. Оксид азоту NO - сильна отрута, що впливає на центральну нервову систему, а також викликає ураження крові за рахунок зв'язування гемоглобіну. Відносно високою токсичністю (при концентрації вище 0,05 мг/л) має оксид азоту NO2. Він дратує дихальні шляхи та пригнічує аеробне окислення у легеневій тканині, що призводить до розвитку токсичного набряку легень. Для хворих на астму та аналогічних хворих підвищується ризик негативних легеневих ефектів при вмісті діоксиду азоту значно меншому, ніж той, на який не спостерігається реакція у здорових людей. Оксиди азоту можуть негативно впливати на здоров'я власними силами і в комбінації з іншими забруднюючими речовинами.
Оксиди азоту займають друге місце після діоксиду сірки за вкладом збільшення кислотності опадів. На додаток до непрямої дії (кислотний дощ), тривала дія діоксиду азоту в концентрації 470-1880 мкг/м 3 може пригнічувати зростання деяких рослин (наприклад, томатів). Значимість атмосферних ефектів оксидів азоту пов'язані з погіршенням видимості. Діоксид азоту відіграє важливу роль у освіті фотохімічного смогу.
3. Методизниження емісій оксидів азоту
З аналізу механізмів утворення оксидів азоту при спалюванні палив випливає, що зменшення освіти NОХ можна досягти, реалізувавши заходи, спрямовані на:
зниження температури горіння;
зменшення часу перебування продуктів згоряння у сфері високих температур;
створення зон реакцій з відновлювальною атмосферою (надлишок повітря менше одиниці), де утворення N0 з азоту палива утруднено та відновлення оксидів азоту йде до молекулярного азоту.
Для зниження викидів оксидів азоту проводять такі первинні чи режимно-технологічні заходи:
використання пальників з низьким викидом NОХ (зниження NОХ до 60%);
ступінчасте спалювання палива (зниження NОХ на 35 - 45%);
ступінчасту подачу повітря (зниження NОХ до 50%);
рециркуляцію димових газів (зниження NОХ до 33%);
упорскування води (або водомазутної емульсії) в ядро факела (зниження NОХ на 25-44%);
комбінацію первинних заходів (зниження NОХ до 90%).
Первинні заходималовитратні і тому їх застосовують, перш за все, для забезпечення викидів оксидів азоту, що нормуються.
Використання пальників з низьким викидом NОХ
У пальників з низьким викидом NОХ, створених у численних варіантах, організована ступінчаста подача повітря. Принцип роботи такого пальника ось у чому. У ядро смолоскипа подається кількість повітря, недостатня для забезпечення повноти горіння (кисневий «голод»), тоді як у зовнішню зону горіння подається надмірна кількість повітря, щоб забезпечити повноту згоряння палива. Крім того, конструкція пальника дозволяє підтримувати рециркуляцію повітря усередині зони горіння.
Застосування цихпальників дозволяє знизити викиди оксидів азоту від 50 % для вугільних котлів до 60 % для газомазутних котлів, не погіршуючи техніко-економічні показники котла.
Ступінчасте спалювання палива
При ступінчастому спалюванні палива пальника в топці котла розміщують у кілька ярусів (зазвичай три-чотири яруси). Подача повітря (надлишок повітря) змінюється теж поярусно. Наприклад, при двоступінчастому спалюванні нижній ряд пальників отримує недостатню для стехіометричного горіння кількість повітря, а верхні ряди пальників, навпаки, одержують надмірну кількість.
Найкращий ефект дає триступінчасте спалювання, насамперед, на котлах з топками з рідким шлаковидаленням, і особливо спалювання високосірчистих палив при забезпеченні мінімальної газової корозії екранних труб.
Суть триступеневого спалювання полягає в тому, що по висоті камери згоряння організують три зони. У першій (нижній) зоні топки спалюється основна кількість палива (70-85%) при надлишку повітря близькому до одиниці. На вихід із зони активного горіння подається решта палива (15-30 %) та відповідна кількість повітря з таким розрахунком, щоб сумарний надлишок повітря в ній становив 0,9-0,95 (тобто невеликий недолік для повного спалювання палива) , завдяки чому в цій частині топки створюється зона з відновлювальним середовищем, в якій продукти неповного горіння (СО, Н2, Сn, Нm) відновлюють оксиди азоту, що вже утворилися, N0 до N2.
Малюнок 3.1 - Принципова схема триступеневого спалювання палива в топці котла (α - надлишок повітря)
Вище цієї зони у верхній частині топки організується зона допалювання продуктів, що залишилися, неповного згоряння за участю третинного повітря, що подається під підвищеним тиском через спеціальні сопла (мал.3.1).
Зменшення викидів оксидів азоту при ступінчастому спалюванні палива в середньому становить: при спалюванні вугілля – до 40 %, при спалюванні – мазуту – до 35 %, при спалюванні природного газу – до 45 %. Використання ступінчастого спалювання палива у топці котла призводить до зниження техніко-економічних показників котла. Збільшується надлишок повітря на виході з камери топки, і при цьому зростає температура газів на виході з топки в середньому на 4-5 ° С, а ККД котла знижується на 0,2-0,5%. Крім того, дещо зростає витрата електроенергії на власні потреби, що призводить до додаткового зниження ККД котла нетто на 0,1-0,8 %.
Рециркуляція димових газів
Рециркуляція димових газів з конвективної шахти до тракту повітря здійснюється, як правило, за допомогою додаткового димососа рециркуляції газів (ДРГ) (рис. 3.2).
Для поліпшення перемішування газів рециркуляції з повітрям, що надходить у камеру топки, встановлюють змішувачі. Частка рециркулюючих газів зазвичай не перевищує 20%. Завдяки рециркуляції димових газів знижуються концентрація кисню у зоні горіння палива та температура горіння.
Рисунок 3.2 - Принципова схема рециркуляції димових газів котла з використанням димососів рециркуляції газів, де
ДРГ – димосос рециркуляції газів;
ДВ – дутьовий вентилятор;
РВП - регенеративний повітропідігрівач;
СК – змішувальна камера.
Зменшення викидів NОХ під час використання даного методу може бути доведено:
- при спалюванні вугілля до 25%;
- при спалюванні мазуту до 30%;
- при спалюванні газу до 33 %.
Техніко-економічні показники при цьому помітно погіршуються. Зростає витрата електроенергії на власні потреби(За рахунок приводу димососів рециркуляції газів). Крім того, зростає температура газів, що йде, що призводить до зниження ККД котла на 0,6 - 1,3%.
Іноді рециркуляцію димових газів здійснюють на всмоктуванні дутьових вентиляторів, якщо при цьому є достатній запас їхньої продуктивності. Частка рециркуляції у своїй зазвичай вбирається у 10 %. У цьому випадку також зростає температура газів, що йдуть, і знижується ККД котла, зростають витрати електроенергії на власні потреби через зростання витрати електроенергії на дутьові вентилятори.
Уприскування води в ядро факела
Упорскування води або введення водомазутної емульсії в ядро факела знижує максимальну температуру в ньому і тим самим перешкоджає утворенню оксидів термічних азоту. Цей спосіб застосовується переважно у період несприятливих метеорологічних умов у районах з підвищеною фоновою концентрацією шкідливих речовин. Кількість води, що впорскується в топку котла, становить близько 10 % витрати палива.
Цей спосіб знижує викиди NОХ приблизно на 25% і одночасно знижує ККД котла приблизно на 0,7%. Ефективність упорскування води в топку істотно зменшується, якщо котел працює з рециркуляцією газів або в режимі спалювання палива. Тому метод упорскування не отримав широкого застосування.