Лекция 8-9 – Условия образования вредных веществ при работе теплоэнергетических установок (ТЭУ)

План:

1. Условия образования оксидов серы

3. Условия образования окислов азота

5. Условия образования канцерогенных веществ

6. Твердые выбросы в атмосферу

7. Контрольные вопросы

Условия образования оксидов серы

Концентрация сернистого ангидрида SO₂ и соотношение между ним серным ангидридом SO₃ в продуктах сгорания определяется в связи с необходимостью контроля сернокислотной коррозии в хвостовых поверхностях нагрева. Например, при сжигании твердого топлива в газоходах котлов концентрация оксидов серы за котлом составляет SO₂= 0,62 % SO₃= 0,03 %.

Таблица 3 – Распределение концентрации SO₂ в районе нескольких электростанций, сжигающих твердое топливо

Показатель	Расход топлива на ЭС, т/ч
Показатель	580	260	252	180
1 Содержание серы в топливе, %	0,85	0,44	2,4	2,3
2 Высота дымовой трубы, м	120	105	120	150
3 Концентрация SO₂ на расстоянии от трубы, м 500 1000 1500 2000 3000 5000	0,24 0,23 – 0,3 0,28 0,17	0,33 0,38 0,66 0,31 0,25 –	0,73 0,51 0,95 1,06 0,3 –	0,48 0,6 – 0,7 0,76 0,6

Количество SO₃ зависит не только от температуры и количества кислорода, но и от концентрации оксидов азота в продуктах горения, т.е оксиды азота могут вступать в реакцию с SO₂ в газоходах котла, тем самым увеличивая количество SO₃. На выходе из дымовой трубы в дневное время под воздействием солнечного света SO₂ окисляется в SO₃, затем переходит в H₂SO₄.

Образовавшийся H₂SO₄ зависит в решающей мере от цепного механизма с участием радикала ОН и оксида азота.

Условия образования оксидов азота

Основные источники выбросов оксидов азота: котельные установки и транспорт. Чтобы понять основные принципы, заложенные в методах снижения оксидов азота необходимо представлять диффузионно – кинетические закономерности образования NО_x. При сжигании топлив азот, содержащийся в воздухе и топливе становится реакционно-способным. В процессе горения кислород воздуха и топлива взаимодействуют с азотом воздуха и топлива, в результате образуются соответствующие оксиды.

Известны 2 источника образования оксида азота в топках котлов:

1) образование NО при окислении азота воздуха в области высоких температур. Называется термическим оксидом азота;

2) разложение и окисление азотсодержащих соединений, входящих в топливо – топливные оксиды азота.

Заметное образование окислов азота из азота воздуха происходит при высоких температурах (более 1800 К), а из азота топлива при 1000-1500 К. окисление азота воздуха изучено давно, на изучение азота топлива внимание обратили недавно. При сжигании азотсодержащих топлив преимущественный механизм образования топливного азота. Термический оксид азота образуется в области высоких температур любого топлива, если в качестве окислителя используется воздух. В настоящее время наиболее разработанной является теория Зельдовича о закономерностях окисления газообразного азота.

N₂ + O₂ 2 NO – 43 ккал (180 кДж)

O + N₂ = NO + N – 75,7 ккал (314 кДж)

N + O₂ = NO + O + 32,5 ккал (134 кДж)

N + O + M = NO + M + 159

O₂ + M = 2O + M (M – радикал)

Согласно этой теории реакция имеет сложный цепной характер. Скорость этой реакции определяется уровнем температур и концентрации кислорода в зоне реагирования, временем пребывания в зоне высоких температур.

Быстрые оксиды азота – кратковременное образование NO со скоростью и в количестве большем, чем по механизму Зельдовича.

Пример: лабораторная установка ВТИ. Сжигается пыль каменных углей. Окислитель – кислородно-аргонная смесь. При максимальной температуре в реакционной камере Т ≤ 1540 ^оС замена воздуха аргонно-кислородной смесью снижает концентрацию NО_x в дымовых газах всего на 5 %.

Образование NО_x в топках зависит:

- от конструктивного оформления и расположения горелочных устройств;

- тепловой нагрузки на ярус горелок, их мощности;

- типа топлива;

- тепловой мощности топки;

- скорости охлаждения газов и др.

При сжигании газов существует четкая зависимость удельных выбросов NО_x от мощности топочных камер, т.к увеличение габаритов топочных камер приводит к снижению относительной поверхности теплопоглощающих экранов, растет толщина излучающего слоя и увеличивается максимальная температура в ядре горения, увеличивается время пребывания в высокотемпературной зоне, и как следствие – более высокий удельный выброс NО_x.

Закономерности образования оксидов азота.Содержание топливного азота очень сильно колеблется для углей даже одного месторождения. В среднем эти колебания составляют 40 %. Для твердых топлив с примерно одинаковым содержанием азота в составе топлива образование NO тем выше, чем больше выход летучих. В виду того, что энергия диссоциации связи молекул азота N-N=222 ккал/моль, а энергия диссоциации углерода с азотом C-N=60-150 ккал/моль, т.е в 1,5 до 4 раз меньше, то азотные соединения, входящие в состав топлива легче превращаются в NO, чем азот воздуха. Превращение азота топлива NO происходит при наличии в зоне реакции достаточного количества азота уже при температуре 550-1000 С.

Схема образования топливного NO при сжигании азотсодержащих топлив.При нагревании частиц угольной пыли или капель мазута на начальном участки факела в результате пиролиза топлива и возгонки летучих вокруг частиц образуется газовый объем (оболочка).

Происходит разделение азота содержащегося в топливе между газовой фазой и коксовым остатком. Большее количество связанного в топливе азота переходит в газовую фазу в виде цианида водорода HCN и аммиака NH₃, который затем реагирует в гомогенных реакциях с различными промежуточными радикалами О, ОН, Н, образуя в результате NО и N₂. Далее топливный азот, оставшийся в коксе и связанный в форме гетероциклических колец при догарании коксового остатка в гетерогенном режиме частично переходит в NО и N₂, а частично остаётся в уносе.

Эффективность перехода связанного азота и коксового остатка в оксид азота много ниже превращения азотсодержащих веществ HCN, NH₃ в NO. Конверсия (превращение) азота кокса NO составляет не более 20-25 % от общего количества топливных оксидов азота. Таким образом, при сжигании азотсодержащих топлив далеко не весь связанный азот превращается NO. Часть азота топлива переходит в газообразное состояние в виде молекулярного азота N₂. Другая наименьшая часть остается в уносе. Коэффициент превращения азотного компонента топлива в NO колеблется в зависимости от содержания азота в самом топливе.

При изменении содержания азота в исходном топливе от 0,1 до 2 % при α=1,1 в NO переходит от 42 до 18 % топливного азота.

Рисунок 1 - Зависимость степени превращения азота топлива η в NO_х

от его содержания в топливе

Степень превращения изменяется от примерно100 до 40 % при увеличении топливного азота от 0,03 до 0,85 %. 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.

Эмиссия NО_х происходит при высоких температурах в некотором температурном интервале.

Рисунок 2 - Динамика образования оксидов азота в газовоздушном факеле

Концентрация NO сильно возрастает от начала зоны горения и достигает максимальных значений непосредственно за зоной максимальных температур. В дальнейшем концентрация оксида азота практически не меняется по длине факела, т.к. распад оксида может наступить лишь в том случае, если его концентрация превысит равновесную.

В зоне активного горения углеводородных топлив (1-я треть факела) может происходить кратковременное образование оксида азота со скоростью и в количестве большем, чем следует из максимума Зельдовича. Это явление получило название «быстрые» оксиды азота. Образование «быстрых» оксидов азота происходит в результате промежуточных реакций в зоне активного горения с участием радикалов С₂ и СН, концентрации которых в пламени значительно превышает равновесные. Так же, как и в случае азотных соединений содержащихся в топливе атом азота, входящий в цианид водорода HCN и CN превращается в оксид азота легче, чем азот воздуха.

На эмиссию или выход термических оксидов азота оказывает влияние термический фактор. Наибольшее влияние оказывает температура в зоне горения, с повышением которой происходит экспоненциальный рост NO.

При температуре 1000-1500 ⁰С большая часть азота топлива не успевает выделиться за время τ = 1 с. При высоких температурах 1050 – 2100 ⁰С около 60 % азота топлива удаляется за время τ = 0,1 с.

1 –время пребывания τ = 12 с.; 2 – время пребывания τ = 3 с.

Рисунок 3 - Влияние температуры и времени пребывания в зоне максимальных

температур на образование NO

Вывод: Увеличение времени пребывания в зоне горения также приводит к росту образования оксидов азота. При сжигании углей NО_х образуется в основном из азота топлива. Выход NО_х из азота топлива в широком диапазоне температур очень слабо меняется. Следовательно, все методы снижения выбросов направленные на уменьшение температуры процесса будут слабо воздействовать на уменьшение образования NО_х (рециркуляция, впрыск пара, снижение температуры подогрев воздуха).

Рассмотрим зависимость выхода NО от коэффициента расхода воздуха α, которая имеет вид экстремальных кривых и представлена на рисунке 4. Максимумы находятся в области с α_кр = 1,05 – 1,25.

1 – кинетический режим горения; 2 – диффузионный режим горения

Рисунок 4 - Зависимость выхода NО от коэффициента расхода воздуха α

Рост концентрации NО объясняется тем, что при малых α повышается концентрация свободного кислорода, что способствует более активному протеканию реакции окисления азота воздуха. А при дальнейшем увеличении α в закритической области уменьшение температуры в зоне горения влияет в большей степени, чем увеличение концентрации кислорода. Концентрация кислорода в зоне реакции при диффузионном режиме горения зависит от смешивания топлива с воздухом. Поэтому соотношение воздуха и топлива, при котором наблюдается максимальная концентрация NО тем больше смещается в область низких α, чем лучше смешение реагентов.

При кинетическом режиме горения максимальное содержание NО имеет место при стехиометрическом соотношении топлива и воздуха, т.е при α = 1.

В реальных котельных агрегатах, когда топливо распыливается, подается струями и смешивается с воздухом в системе, не обеспечивающей молекулярного перемешивания наблюдается более плавная зависимость выхода NО от α. В результате максимальное количество NО смещается в область более высоких α.

Вывод: Для любого случая сжигания топлив котлоагрегатов остается справедливым следующее положение: содержание термических оксидов азота тем ниже, чем ниже температура и концентрация кислорода в зоне реакции и чем короче время пребывания продуктов горения в высокой температурной зоне. Повышение энтальпии исходной смеси повышает температуру продуктов сгорания, а следовательно и выход NО.

Сжигание горючей смеси с коэффициентом α<1 или α>>1, с также снижение температуры горения другими способами, приводит к уменьшению выхода окиси азота. Термодинамическое равновесие реакции (*) при высоких температурах сдвигаются в сторону распада NО.

Пример: Для газовой смеси 70 % азота N₂, 0,5 ÷ 4 % кислорода, остальное – инертные газы в интервале температур 1760 – 2200 ^оС максимальное количество NО образуется при 2127 ^оС, а при 2177 ^оС скорость разложения NО превышает скорость его образования.

При разработке технологических способов снижения образования NО_х необходимо стремиться:

- снизить уровень максимальных температур в топке;

- уменьшить концентрацию кислорода в зоне реагирования;

- сократить время пребывания газов в зоне высоких температур.

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 275; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!