Образование оксдов азота при горении

 

В результате хозяйственной деятельности человека в ат­мосферу Земли выбрасывается значительное количество вредных веществ: золы, оксидов серы, углерода, азота. Наи­большей токсичностью из них обладает оксид азота NO_х. Так, максимальная разовая предельно допустимая концентра­ция NO₂ (ПДКмр) равна 0,085 мг/м³ по сравнению с 0,5 мг/м³ для SO₂ и пыли и 5 мг/м³ для СО. Ежегодно в атмосферу поступает более 830 млн т NO_х. Из этого количества 770 млн т появляются вследствие различных атмосферных явлений. Эти оксиды азота равномерно распределены в атмосфере Земли, концентрация их в воздухе незначительна и составляет без­вредную фоновую концентрацию. Около 2,4 млн. т оксидов азота выбрасывается в атмосферу вследствие деятельности химической промышленности, 51 млн т — при сжигании орга­нического топлива. Из них примерно 40 % приходится на долю тепловых электростанций. Эти оксиды азота имеют локальный характер, концентрация их особенно высока в районе расположения топливосжигающих установок.

Оксиды азота могут образовываться в зоне горения всех топлив по трем механизмам:

1) «термическому», когда окись азота образуется в результате взаимодействия азота с атомами и радикалами О, N и ОН диссоциированных молекул: выход NО в этом случае значительно зависит от температуры горения;

2) «быстрому», действующему в начале зоны горения; образование NО происходит при взаимодействии азота с радикалами СН, СН₂; этот механизм определяет минимальный выход оксида азота при горении газового топлива, слабо зависит от температуры и в значительной степени – от структуры молекулы топлива;

3) «топливному», зависящему от содержания азота в топливеи коэффициента избытка воздуха.

Ме­тоды снижения скорости реакции образования «термических» NО и тем самым уменьшения их концентрации в продуктах горения:

1) снижение общего уровня температур в топке путем ре­циркуляции продуктов сгорания с t < 400 °C, подачи пара и воды в зону горения и в дутьевой воздух;

2) снижение максимальных локальных температур в топке путем подачи газов рециркуляции, пара и воды в зоны максимальных температур;

3) уменьшение максимальной температуры и содержания кислорода в зоне максимальных температур путем организации ступенчатого горения;

4) уменьшение общего избытка окислителя в пределах, допустимых по условиям возникновения продуктов химиче­ского и механического недожога и бензопирена.

Для образования «быстрых» оксидов азота можно отметить следующее:

- быстрое окисление азота во фронте пламени характер­ но для углеводородов и углеродсодержащих топлив;

- «быстрые» оксиды азота образуются на участке фронта пламени около 10 % его ширины, причем процесс образования начинается уже у передней границы фронта пла­мени в области температур около 1000 К;

- наиболее характерными признаками образования «быстрых» оксидов азота являются: а) кратковременность процесса их образования; б) слабая зависимость выхода NO от температуры горения; в) сильная зависимость выхода NO от и смещение пика концентраций в область богатых горючих смесей;

- выход «быстрых» NO при горении природного газа со­ставляет 100... 120 мг/м³ и не может быть снижен ступенча­тым горением;

- задача снижения «быстрых» NO_х пока не решена.

По результатам исследования «топливных» окси­дов азота можно сделать следующие выводы:

- необходимо учитывать влияние процесса окисления азотсодержащих соединений топлива на общее содержание NO_х;

- при сжигании низкокачественных топлив выход «топ­ливных» NO_х более значителен при низких температурах го­рения (Т_max<1800 К); при сжигании высокореакционных топлив в крупных установках влияние «топливных» NО_х меньше;

- образование «топливных» NO_х − происходит на начальном участке факела в области образования «быстрых» NO и до образования «термических» NO;

- абсолютный выход «топливных» NO тем больше, чем больше содержание азота в топливе;

- степень перехода азота топлива в NO быстро увеличи­вается с ростом .