Образование оксидов азота в топках котлов

Окислы азота являются вредной примесью в дымовых газах.

При сжигании топлив в топках котлов азот, содержащийся в воздухе и в топливе, становится реакционноспособным и, соединившись с кислородом, образует оксиды.

В топке содержатся следующие окислы азота:

NO_x = NO + NO₂

(а при низких температурах образуются: N₂O; N₂O₃; N₂O₅)

Из них 95-99 % составляет оксид азота NO.

Окислы азота образуются за счет окисления азота, содержащегося в топливе и азота воздуха, поэтому они обнаруживаются в продуктах сгорания всех топлив.

Теория Семенова-Зельдовича – Франк-Каменецкого описала совокупность явлений, происходящих при окислении азота воздуха в топках котлов. Условием окисления азота воздуха является диссоциация молекулы кислорода воздуха под действием высоких температур с поглощением теплоты.

Атомарный кислород реагирует с молекулой азота, а образовавшийся в результате эндотермической реакции атомарный азот вступает в экзотермическую реакцию с молекулами кислорода

N₂ + O₂ → 2NO – 180 кДж/моль (4.1)

N₂ + O → NO + N – 314 кДж/моль

О₂ + N → NO + О + 134 кДж/моль

В результате реакции 4.1 в топочной камере образуется в основном оксид азота (≈90 %), остальную долю оксидов азота составляют диоксид азота. Образование диоксида азота за счет окислов требует значительного времени и происходит при более низких температурах. На выходе из дымовой трубы состав NO_x практически не изменяется по сравнению с топочной камерой, и только в атмосфере происходит процесс его постепенного доокисления.

Общее количество оксидов азота определяется как сумма оксидов азота, образующихся при горении за счет окисления азота воздуха и окисления азота топлива.

Существует 3 источника образования оксида азота:

1) образование оксида азота при окислении азота воздуха в области высоких температур - термический;

2) окисление азота, входящего в состав топлива – топливный оксид азота;

3) образование «быстрых» оксидов азота в корне факела.

Относительно большее влияние топливных оксидов азота имеет место в котлах малой мощности, для которых температуры в ядре факела не высоки и образование «воздушных» оксидов азота по этой причине незначительно.

Факторы, влияющие на образование оксидов азота при сжигании различных видов топлив:

- температура пламени;

- концентрация кислорода в зоне горения;

- время пребывания продуктов горения в зоне высоких температур;

- содержание азота в топливе.

В свою очередь эти факторы зависят от коэффициента избытка воздуха, от конструкции горелочных устройств, от аэродинамических характеристик процесса горения, от размера и теплового напряжения топок, от условий теплообмена между газовыми потоками и поверхностями нагрева.

Увеличение времени пребывания в зоне горения приводит к росту образования NO_x. Концентрация NO достигает максимального значения за зоной максимальных температур газово-воздушного факела.

Рисунок 4.5 - Зависимость доли топливного азота, переходящего в оксид азота от его содержания в топлива

Из рисунка видно, что при низком содержании топливного азота имеет место почти полная конверсия в оксид азота. По мере увеличения содержания азота в топливе до 1 – 1,5% конверсия уменьшается до 20-25% в зависимости от температуры и вида сжигаемого топлива.

Вывод: Чем меньше содержание топливного азота, тем более полно происходит переход в оксид азота.

Для любого случая сжигания топлив содержание термических оксидов азота тем ниже, чем меньше температура и концентрация кислорода в зоне реакции и чем короче время пребывания продуктов сгорания в высокотемпературной зоне.