Образование оксидов азота

По современным представлениям оксид азота образовывается при горении топлив в результате окисления азота кислородом по трем механизмам: за счет высокой температуры горения образуется «термический» NO (модель механизма разработана Я.Б. Зельдовичем), за счет активации азота радикалами – «быстрый» NO и – «топливный» NO за счет окисления присутствующих в топливе органических соединений азота. Поскольку в газе нет соединений азота, рассмотрим лишь первые два механизма образования NO.

Образование NO при горении процесс эндотермический, обратимый и описывается уравнением:

«Термический» NO появляется в заметных количествах при 1300 ºC, возрастая при дальнейшем увеличении температуры. «Быстрый» NO начинает образовываться при температуре около 1000 ºC, и затем его концентрация непрерывно возрастает (по некоторым данным остается постоянной). В целом установлено, что количество «термического» NO гораздо больше «быстрого» NO, особенно при высоких температурах (более 1400 ºC). Хотя есть утверждения, что при температурах наблюдаемых в открытых ламинарных пламенях природного газа, основное количество окислов азота образуется не по «термическому», а по «быстрому» механизму.

Диоксид азота образуется в результате окисления оксида по экзотермической реакции

Ранее полагали, что в зоне горения образуется только NO, а NO₂ образуется лишь после выхода из дымовой трубы. Однако опытным путем было зафиксировано образование NO₂ в предпламенной зоне. Причем с повышением температуры отношение NO₂/ NO уменьшается, т.к. происходит разложение NO₂. В атмосфере NO окисляется до NO₂.

Основное количество «термических» NO образуется при максимальной температуре. Интенсивность образования «термических» NО_Х экспоненциально зависит от температуры горения.

Экспериментальные исследования показали существенное различие между расчётными (теоретическими) и экспериментальными значениями выхода NО. Это объясняется следующими причинами:

- время пребывания реагентов в зоне максимальных температур ниже времени достижения химического равновесия;

- температура в ядре зоны горения ниже теоретической из-за диссоциации и наличия теплообмена излучением.

Вследствие этого выход «термических» NО_Х в топках крупных энергоблоков достигает 0,8 – 1,5 г/м³. В промышленных и отопительных агрегатах, имеющие более низкие значения максимальной температуры и значительный темп охлаждения, выход термических NO составляет 0,1 – 0,2 г/м³.

При факельном сжигании газа образование NO происходит по «термическому» и «быстрому» механизму. Оказывает влияние метод сжигания газа. Зависимость выхода NO_Х от коэффициента α имеет максимум в области бедных смесей. Обычно максимум наблюдается при α ≈ 1,1. С увеличением или уменьшением α выход NO_Х быстро уменьшается. При диффузионном горении коэффициент α слабо влияет на выход NO. Теплоотдача оказывает сильное влияние на выход NO. С увеличением мощности горелки и размеров топочной камеры выход NO_Х увеличивается.

Рис. 12.2. Выбросы модульной котельной