Contaminarea mediului cu produse toxice ale arderii combustibililor fosili este una dintre problemele importante ale ingineriei moderne. Deja, ritmul și amploarea expunerii umane să depășească capacitatea de adaptare a biosferă și, prin urmare, procesele ireversibile în natură, ceea ce duce la catastrofe ecologice.
Crearea de poluare gravă a rafinăriilor atmosfera cuptorului tubulare. Emiși în atmosferă ca parte a produselor de ardere de monoxid de carbon CO, NO de oxizi de azot, NO2. Dioxid de hidrocarburi SO2 și sulf.
Emisiile cele mai toxice sunt oxizi de azot, care determină nevoia primară de a reduce emisiile.
Surse și mecanismul de formare a oxizilor de azot în timpul arderii combustibililor organici
Există trei mecanisme de oxizi de azot: termice, rapid si combustibil.
In formarea oxizilor de azot termici și rapid - o sursă de azot este aerul, iar în cazul oxizilor de azot, combustibil - componentele care conțin azot ale carburantului.
oxizi de azot termici format prin reacția de oxidare a azotului atmosferic oxigen liber în procesul de combustie. Cantitatea de bază a oxizilor de azot termic format într-un interval de temperatură îngust apropiată de temperatura maximă în zona de ardere a activa. Mecanismul de formare a oxizilor de azot termic a fost propus Ya.B. Zeldovich și implică următoarele reacții:
Acesta a fost ulterior suplimentată prin reacția azotului atomic cu hidroxi și a fost numit un mecanism extins YB Zeldovich:
Principalii factori care afectează randamentul oxizilor de azot termici sunt o temperatură în regiunea de generare de NOx, concentrația de oxigen atomic și timpul de rezidență a produselor de combustie din zona. Concentrația de oxizi de azot crește liniar odată cu creșterea concentrației de oxigen atomic și exponențial cu creșterea temperaturii.
oxizi de azot rapide sunt formate la temperaturi relativ scăzute în reacțiile de radicali de hidrocarburi din aer cu azot și apoi reacția radicalii conținând oxigen și care conțin azot. Această metodă de formare a oxizilor veniturilor în viteză foarte mare (de unde și numele lor; rapid). Formarea rapidă a oxizilor depinde în primul rând de concentrația radicalilor în porțiunea rădăcină a arzătorului. La oxidarea flacără (ardere cu exces de oxigen are loc), contribuția acestora este nesemnificativă, dar arderea amestecurilor îmbogățite cu ardere la temperatură scăzută și proporția lor poate ajunge la 25% din conținutul total de oxizi de azot. Mecanismul de formare a „rapid“ S. Fenimore NOx descris:
Oxizii de azot de combustibil sunt formate din compuși cu azot combustibil prin oxidarea cu oxigen, la o temperatură de 900-1000 K.
Oxizii de azot de combustibil sunt formate în timpul arderii gazelor naturale (cum este, cu puține excepții, nu conțin azot legat), dar combustia păcurii și în special toate tipurile de combustibil solid (turbă, șisturi, lignit și cărbune), proporția de NOX combustibil este foarte mare și, în unele cazuri, se ridică la 100% din totalul emisiilor de NOx.
Tabelul următor prezintă formarea medie de NOx in timpul arderii de combustibili diferiți.
Izolarea oxizilor de azot (NOx) sub încălzitoare tipice (furnale)
Factorii care afectează formarea oxizilor de azot
Având în vedere condițiile de formare a oxizilor de azot în timpul arderii combustibilului prin schemele de mai sus, următorii factori influențează formarea de NOx:
- Temperaturile gazelor locale din camera de ardere;
- timpul de staționare a gazului în zona de temperatură ridicată;
- nivelurile de oxigen și azot, în zona de ardere;
- Temperatura aerului la intrarea în camera de combustie.
La evaluarea emisiilor de NOx efective ar trebui să facă ajustări în formă de factori de corecție care iau în considerare influența factorilor individuali cu privire la formarea de NOx.
Este posibil să se estimeze formarea reală (estimat) NOx în cuptorul efectiv cuptor în conformitate cu următoarea formulă:
k1 - coeficient ținând seama de influența temperaturii camerei de ardere la formarea de NOx;
k2 - coeficient ținând seama de influența aerului în exces a emisiilor de NOx;
k3 - coeficient ținând seama de influența conținutului de hidrogen în gazul combustibil la emisiile de NOx;
k5 - coeficient ținând seama de influența temperaturii asupra formării NOx;
Ca (NOx) Bazele de date. Valoarea NOx luate în gazele de eșapament obținute prin teste de banc. De obicei arzător testele efectuate pe rig gazelor naturale (CH4) în exces de aer nominal (1,05-1,15), temperatura aerului de ardere este temperatura mediului ambiant în camera de ardere a unui arzător instalat, standuri echipate cu sisteme de răcire pe perete.
Efectul temperaturii camerei de ardere la obrazovanieNOx
Educația „termic» NO are loc direct în zona de ardere, în care O reacție + N2 = NO + N - formarea de NO considerate definitorii.
Bariera energetică pentru această reacție este format din două componente:
1) Energia necesară pentru formarea unui atom de oxigen (E1); 2) energia de activare a reacției atomului de oxigen cu o molecula de azot (E2).
Deoarece energia de activare a acestei reacții este foarte mare, ea determină numai dependența puternică a formării ratei oxidului de azot la temperatură.
Efectul raportului exces de aer la obrazovanieNOx.
Influența compoziției gazului combustibil la obrazovanieNOx.
Compoziția de combustibil este un factor determinant în formarea „rapid“ și „combustibil“ oxizi de azot.
Mecanismul de formare a „rapid“ de oxizi de azot este după cum urmează.
La temperaturi ridicate toate hidrocarburile parafinice sunt supuse unei degradare mai mult sau mai puțin profundă cu ruptură a C-C sau C-H. Descompunerea termică a hidrocarburilor se produce în mod diferit în funcție de temperatură. Cu cât este mai complex molecula, cu atât mai ușor este descompus termic. Produsele de reacție primare sunt radicalii liberi. Radicali fiind particule chimic nesaturate tămâie ob reactivitate extrem de ridicată și instantaneu vin în diferite reacții, în special azotul din aer, formând monoxid de azot NO.
Educația „combustibil“ NO se calculează pe baza ipotezei că în timpul arderii azotului conținând combustibil este descompus la componentele active ale N azot atomic sau HCN cianhidric. Mai mult, se crede că procesul se desfășoară de-a lungul două ramuri: oxidarea monoxidului de azot la N azot (HCN) + O 2 → NO și formarea de azot molecular datorită 2N recombinării → azot atomic N2.
Formarea oxizilor de azot se produce combustibil la secțiunea inițială a arzătorului, în formarea de „rapid» NO și la formarea „termic» NO.
Efectul temperaturii aerului insuflat pe obrazovanieNOx.
Metodele de reducere a conținutului de oxizi de azot din gazele de ardere.
Purificarea produselor de ardere din oxizii de azot sunt complexe punct de vedere tehnic și, în majoritatea cazurilor, economic nerenta-cablare. Tehnologia cea mai adecvată este introducerea de azot în etapa de suprimare a oxizilor de ardere, care includ organizarea procesului cuptor la cea mai joasă temperatură posibilă în zona de ardere și excesul mic de aer.
Principalele metode modul tehnologic de reducere a emisiilor de oxizi de azot sunt:
1. Arderea combustibililor cu raport redus de exces de aer.
2. Arderea combustibilului în două etape.
3. Partea de reciclare a gazelor de ardere în zona de ardere;
4. Reducerea temperaturii aerului preincalzit.
Arderea combustibililor cu un raport mic exces de aer.
Una dintre măsurile de securitate puse în aplicare mai ușor este de a reduce excesul de aer în cuptor. Prin reducerea conținutului de oxigen în formarea zonei de ardere este suprimată ca „termic“ și „combustibil» NOx. Prin urmare, evenimentul poate fi aplicat în timpul arderii oricăror combustibili fosili.
Eficiența maximă este atinsă atunci când arde excesul de aer
α = 1,03 ÷ 1,05. Dependența concentrației de NOx din raportul de exces de aer are forma unei curbe, cu un vârf extreme în intervalul α = 1,1 ÷ 1,3. corespunde maxim în plus de NOx, în general, astfel de exces de valoare a raportului aer la care condițiile date se realizează arderea mai completă a combustibilului.
Arderea combustibilului în două etape.
In acest proces de ardere este organizată după cum urmează: prin arzătorul cu aerul furnizat de combustibil într-o cantitate mai mică decât stoichiometrică (de obicei α = 0,8 ÷ 0,95), iar restul de echilibru necesar cantitatea de aer introdusă în camera de ardere suplimentară de-a lungul lungimii torței. Astfel, prima etapă de ardere se realizează arderea combustibilului cu o deficiență de comburant, iar al doilea - postcombustie produselor de gazeificare la temperaturi scăzute. Datorită acestei flacără timpuriu din cauza concentrației reduse de oxigen scade formarea oxizilor de azot de combustibil și reducerea nivelului de temperatură în a doua etapă reduce formarea de NOx termic.
Recircularea produselor de ardere.
Această metodă constă în selectarea porțiunii de evacuare a gazelor arse (5 ... 30%) de la conducta de gaze arse, la o temperatură de 300 ... 400 ° C și furnizarea acestor gaze în zona de ardere activă (de preferință după arzatoare, folosind duze separate, sau într-un amestec cu aerul furnizat pentru ardere ).
Reducerea concentrației de NOx datorate nu atât gazele la temperaturi scăzute recirculante ca o reducere a temperaturii de ardere datorită reducerii vitezei reacțiilor în lanț datorită prezenței gazelor inerte și reducând concentrațiile reactanților. Cel mai mare efect reducerea formării oxizilor de azot este atins atunci când a lovit cantitatea totală de gaze recirculate în zona de combustie a activa în cazul preamestecare plin cu aer lovitură. În acest sens, ea are cea mai mare eficiență în introducerea conductelor de aer de combustie pentru arzătoare sau hrănirea lor în cuptor, prin canale arzatoare separate.
Tabelul rezumă reducerea emisiilor de NOx în funcție de modul de organizare a procesului de ardere.
Organizațiile de ardere mecanism de tip arzător
arzător Injectarea diferă în formarea de oxizi de azot în comparație cu arzătorul de difuzie aceeași capacitate termică crescută. Pre-amestecarea combustibilului și a aerului este bine amestec aer-combustibil pregătit intră arzătoarele injecție camerei de ardere. Procesul de ardere are loc mai rapid, rezultând în flacără mai scurt este format cu zone de temperatură crescută în comparație cu arzătorul de difuzie, care favorizează formarea crescută a NOx.
arzătoare Samotyage au o torță mai lungă și emisii mai scăzute de NOx, comparativ cu aceleași arzătoarele suflantă termice.
produse de ardere incompletă a combustibilului
(CO și hidrocarburi nearse).
Monoxidul de carbon (CO), hidrogen, saturate, hidrocarburi aromatice nesaturate și particulele de funingine sunt produse de combustie incompletă în timpul arderii combustibililor de hidrocarburi.
Prezența produselor de combustie incompletă, în concentrații semnificative inacceptabile, deoarece duce la contaminarea atmosferei cu substanțe toxice și la reducerea eficienței instalațiilor alimentate cu gaz.
Principalele cauze arderea incompletă a combustibilului:
- gazele de ardere cu o cantitate suficientă de aer;
- amestecare slabă a gazului combustibil și aer înainte și în timpul procesului de ardere;
- răcirea excesivă a flăcării înainte de a reacțiilor de ardere completă.
Pentru reacțiile de combustie metan (în funcție de concentrația de oxigen în amestecul de reacție) poate fi descris prin următoarele ecuații:
la raportul stoichiometric sau cu un exces de oxidant:
lipsa de oxidantul:
În timpul arderii carbonului are loc reacții secundare ale CO în n ardere finala-ecranul de apel, care sunt descrise de ecuația:
În conformitate cu principiul Le Chatelier cu creșterea temperaturii și la reacție de echilibru exotermă presiune constantă (3) este deplasată în direcția de disociere a CO2 la monoxid de carbon și oxigen.
Abordarea cea mai eficientă de reducere a emisiilor de monoxid de carbon - prevenirea formării sale. În acest scop, duzele sunt concepute pentru a asigura o bună amestecare cu aerul introdus sistemul de monitorizare a eficienței de ardere și alte evenimente. Din păcate, măsuri pentru a suprima formarea de monoxid de carbon, conduce la creșterea concentrației de oxizi de azot și invers. Prin urmare, fiecare tip de dispozitiv care urmează să fie evaluate emisiile de ardere ale anumitor poluanți. La alocarea unor cantități mari de monoxid de carbon (de exemplu, la arderea cocsului în unitățile regenerator) este colectat și ars în cazane de recuperare.
Reducerea emisiilor de monoxid de carbon într-o cracare catalitică realizată de postcombustie a gazelor de ardere de aplicare direct afterburning completă în regenerator pe baza aditivilor care facilitează aplicarea la catalizator bazic (un metal nobil pe alumină). concentrația de CO din gazele de ardere este redusă cu 10 până la 0,1%.
Postcombustie este, de asemenea, principala metodă pentru neutralizarea altor surse de emisii de oxid de carbon și alte hidrocarburi nocive, folosind un nou catalizatori mai eficiente afterburning,.