ТЕОРИЯ ГОРЕНИЯ И ТОПОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА

ОБРАЗОВАНИЕ ОКИСЛОВ АЗОТА ПРИ СЖИГАНИИ ВЫСОКОСЕРНИСТЫХ МАЗУТОВ

Мазут имеет высокую теоретическую температуру горения, и, явля­ясь высокореакционным топливом с очень малым содержанием влаги, сгорает в основном в начальном участке факела при высоких темпе­ратурах, что обусловливает интенсивную радиационную теплопередачу в экранной системе нижней части топочной камеры.

Сжигание высокосернистых мазутов сопровождается образованием окислов азота и серного ангидрида, обладающие большой токсич­ностью. Наряду с этими токсичными окислами в продуктах сгорания топлив содержится некоторое количество окиси углерода. Однако, как показано Д. А. Франк-Каменецким, в процессе горения углеводород­ных топлив окись углерода образуется в начальной стадии и затем до­горает в завершающей стадии горения. Поэтому основными загрязни­телями воздуха вредными газами являются окислы азота и серы, а при сжигании природного газа — окислы азота.

В продуктах сгорания парогенераторов ТПП-110, ТПП-210, ТПП-312 производи­тельностью 265 кг/с (950 т/ч) при работе на мазуте и природном газе с а^1,03 со­держание окислов азота составляет 0,8—1,1 г/м3, а в продуктах сгорания парогенерато­ров блоков 300 и 800 МВт при сжигании каменных углей, мазута и природного газа с а= 1,11,2 содержание окислов азота достигает 1,5—2 г/м3 при разовой предельно допустимой концентрации 0,085 мг/м3.

Выброс этих вредных газов с большим количеством продуктов сго­рания топлив загрязняет воздушный бассейн. Поэтому уменьшение загрязнения атмосферы окислами азота представляет важную про­блему.

Исследованиями выявлено, что в процессе горения образуется N0. При движении по газовому тракту парогенератора дальнейшего окис­ления N0 не происходит. После выхода из дымовой трубы в атмосфере основная часть N0 в сравнительно короткий промежуток времени при воздействии кислорода окружающего воздуха переходит в N02 по ре­акции:

2ЫО + Ог—>21402 + 188 МДж/моль.

На рис. 11-15 приведены опытные данные по выходу окислов азота в зависимости от избытка воздуха [Л. 36].

Зависимость действительного выхода N0 от коэффициента избыт­ка воздуха имеет экстремальный характер с максимумом в области значений аКр, несколько больших величины его для стехиометрической смеси (а=1). Увеличение выхода N0 до аКр объясняется увеличением концентрации свободного кислорода, а в закритической области при

Увеличении а в большей степени влияет снижение температуры. Максимальный. вы­ход N0 получается при горении смеси с со­ставом, близким к стехиометрической смеси. В смесях с «х>1 выход N0 на один-два по­рядка ниже равновесных концентраций, а в смесях с недостатком окислителя выход N0 приближается к равновесному.

Например, при а = 1,15 равновесная концентрация N0 составляет 0,26% по объ­ему, а опытно определенная концентра­ция в факеле — 0,005%, тогда как при а = =0,8 равновесная и наблюдаемая в опытах концентрации ' одинаковы и составляют 0,005%.

Однако при изменении а изменяется также и теоретическая температура горе­ния. График на рис. 11-15 представляет со­бой зависимость выхода N0 не только от а, до также и от температуры. При постоян­ной температуре с увеличением а выход N0 увеличивается.

Было установлено, что в факеле N0 в основном образуется в зоне максималь­ных температур и в сравнительно узком их диапазоне на участке малой длины. При форсировке факела концентрация N0 воз­растает пропорционально ^'5 (где —по­верхностная плотность тепловыделения, МВт/м2).

Исходя из экспериментально установ­ленного факта, что в зоне реакции при высоких температурах обра­зуется атомарный кислород, количество которого в несколько раз пре­вышает количество атомарного кислорода, образующегося в результа­те термической диссоциации атмосферного кислорода, представляется следующий механизм образования окислов азота:

О+'Ыа^МО+Л;

N4-02^Ы0 +О.

При этом атомарный кислород образуется в значительном количе­стве в промежуточных стадиях протекания реакции горения углеводо­родов и окиси углерода, в частности по реакции (11-27).

В топочной камере температура горения ниже, чем в опытах [Л. 36], так как значительная часть выделяющегося тепла передается экранным поверхностям. В этих условиях максимальный вырсод окислов азота по­лучается при а= 1,10-т-1,15. В диапазоне изменения а от 1,0 до указан­ных величин температура горения в топочной камере изменяется не­сильно и превалирующее влияние на выход окислов азота оказывает повышение концентрации кислорода.

Следовательно, при малых избытках воздуха (ат ='1,02-г-1,03) и менее высоких температурах горения уменьшение образования атомар­ного кислорода может привести к уменьшению выхода окислов азота.

Эти условия также приведут к уменьшению образования серного ангидрида, протекающего по реакциям (11-28) — (11-30).

Указанные условия достигаются при некоторых способам органи­зации топочного процесса, применяемых для уменьшения образования окислов азота и БОз. К ним относятся:

Рециркуляция продуктов сгорания отобранных из газохода за эко­номайзером или за воздухоподогревателем в нижнюю часть топочной камеры. Рециркулируемые газы подаются через сопла, располагаемые ниже горелок или через горелки. Рециркуляция одновременно снижает температуру и концентрацию кислорода;

Внутренняя рециркуляция газов пониженной температуры; двухступенчатое сжигание, при котором горение основной массы топлива идет при недостатке воздуха, а оставшаяся часть горючих до­жигается в зоне пониженных температур; понижение температуры впрыском пара.

Применение этих методов сжигания будет способствовать также повышению надежности работы парогенераторов на мазуте.

Высокие температуры горения, характерные для сжигания газа и мазута, обусловливают большие тепловые напряжения поверхностей нагрева, что вызывает угрозу пережога экранные труб. Понижением температурного уровня в нижней части топочной камеры эта угроза может быть снята.