Защита от выбросов

При сжигании различных топлив, наряду с основными продуктами сгорания (СО2, Н2О, N2), в атмосферу поступают загрязняющие твёрдые (зола и сажа), а также газообразные токсичные вещества, а именно: сернистый и серный ангидриды (SО2 и SO3), окислы азота (NO и NO2), фтористые соединения и соединения ванадия. В случае недостаточно полного сгорания топлива в топках уходящие газы могут содержать окись углерода СО, углеводороды СН4, С2Н4, а также канцерогенные углеводороды, например бенз (а)пирен и др.

Все продукты неполного сгорания являются вредными, однако при современной технике сжигания топлива их образование можно предотвратить или свести к минимуму; то же относится и к содержанию окислов азота в уходящих газах. Из всех окислов азота наиболее часто в дымовых газах содержится окись NO и двуокись NO2, причём двуокись является наиболее стойким продуктом. Высшие окислы — N2O2, N2O4 и N2O5 — существуют в атмосферных условиях только при низких температурах.

Суммарный выброс сернистых соединений (SO2+SO3) определяется исходной величиной содержания серы в топливе и не может быть исключён за счёт каких-либо мероприятий в организации топочного процесса. Таким образом, добиваться предельно допустимых концентраций сернистых и других соединений в атмосфере можно только выбором необходимой высоты дымовой трубы, обеспечивающей рассеивание оставшихся твёрдых частиц и вредных газов в атмосфере.

Критерием санитарной оценки является предельно допустимая концентрация (ПДК) вредного вещества в воздухе. Под ПДК следует понимать такую концентрацию различных веществ и химических соединений, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений или заболеваний. Предельно допустимые концентрации атмосферных загрязнений устанавливаются в двух показателях: как максимально-разовые (за 20 мин) и среднесуточные (за 24 ч).

Из всех широко используемых видов топлива наиболее экологичным является природный газ. При сжигании в топках котлов природного газа наиболее вредными являются образующиеся при этом окислы азота. Существуют промышленные способы, позволяющие существенно снизить количество образующихся при сжигании топлива окислов азота. Кроме того, как и в других случаях, рассчитывается высота дымовой трубы, которая может рассеивать в слоях атмосферы эти вредные выбросы и, тем самым, не допускается превышение ПДК 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.