Установка контактных экономайзеров как способ уменьшения выбросов оксидов азота

Проблема загрязнения атмосферы токсичными оксидами азота относится к наиболее актуальным, но и наиболее трудно решаемым.

Для котлов апробированными методами снижения выбросов NOx в атмосферу являются рециркуляция продуктов сгорания в топку, двухстадийное сжигание топлива и впрыск воды или пара в зону максимальных температур. Все эти методы наряду со снижением выбросов NOx на 20–30% имеют и недостатки: необходимость дымососа рециркуляции, сооружение дополнительных газоходов, увеличение расхода электроэнергии на тягу, возрастание потерь теплоты от химической неполноты сгорания топлива. Так, при 40%-ной рециркуляции КПД котла снижается примерно на 2%. В связи с этим в эксплуатационных условиях степень рециркуляции продуктов сгорания редко превосходит 15–20%. Рециркуляция является одним из наиболее доступных средств подавления образования оксидов азота в топке.

Двухстадийное сжигание – наиболее легко осуществимый из применяемых методов предотвращения образования оксидов азота. Эффективность его весьма высока и достигает 45–50% снижения; к недостаткам этого метода можно отнести необходимость точного и оперативного регулирования горелок, в том числе по ярусам, возможное возрастание выбросов СО, сажи, бенз(а)пирена в атмосферу. Поэтому обычно ограничиваются 20% снижением выбросов оксидов азота.

Еще сложнее и дороже метод впрыскивания влаги в реакционную зону. При той же результативности он ведет к пережогу топлива.

Как известно [1], в газовых котельных применяются контактные экономайзеры, обеспечивающие глубокое охлаждение продуктов сгорания газа ниже точки росы и тем самым повышающие коэффициент использования топлива на 10–15%. Установленные для утилизации теплоты уходящих газов, контактные экономайзеры, как показали многолетние наблюдения, благодаря прямому контакту дымовых газов и орошающей воды способны одновременно выполнять задачу очистки газов от твердых включений и части газов, растворимых в воде.

Методы очистки отходящих газов от оксидов азота абсорбцией в полых распылительных аппаратах известны в химической технологии и применяются при производстве азотной кислоты. Использование их для очистки продуктов сгорания топливосжигающих установок нецелесообразно с экономической точки зрения. Например, для очистки 24 000 куб.м/ч газов необходима установка шести форсуночных абсорберов диаметром 2,5 м с общим объемом 420 куб.м. Однако при использовании контактных теплоутилизаторов, имеющих развитую поверхность вследствие загрузки слоя керамическими кольцами или другими насадочными элементами и обеспечивающих выполнение двух полезных функций, эти проблемы теряют остроту.

Рассмотрим кратко вопросы растворимости оксидов азота и попытаемся сделать из них практические выводы.

Диоксид азота, имеющий в 7, 6 раза большую токсичность, чем моноксид (максимальные разовые ПДК составляют соответственно 0,085 и 0,6 мг/куб.м), полностью растворяется в воде с образованием смеси азотной и азотистой кислот.

Растворимость моноксида азота, который на воздухе окисляется до диоксида, составляет 7,38 мл/100 г при нулевой температуре и существенно уменьшается с повышением температуры [2]. Так, при 20 градусах она составляет 4,71, а при 100 град. – 2,6 мл/100 г.

В качестве примера приведем некоторые результаты натурных испытаний контактного экономайзера, установленного за котлом ДКВР-10. Экономайзер работал с коэффициентом избытка воздуха 1,1 при расходе воды 20 т/ч. При номинальной нагрузке котла через него проходило около 10000куб.м/ч продуктов сгорания, что позволяло растворять в воде до 700 г/ч моноксида азота. При исходном (перед экономайзером) содержании диоксида азота 20–30 мг/куб.м и оксида азота до 150 мг/куб.м на выходе из экономайзера диоксид азота в дымовых газах практически отсутствовал, а содержание моноксида азота составляло 65–70 мг/куб.м.

Эффективность использования контактного аппарата в целях очистки выбросов в атмосферу от оксидов азота может быть оценена величиной КПД очистки:

η_оч = (Т’/T)·100%,

где Т и Т’ – количества единиц токсичности, приходящихся на суммарное содержание оксидов азота в продуктах сгорания и поглощенных в контактном аппарате соответственно. Здесь под количеством единиц токсичности понимается отношение фактической концентрации вредного вещества в выбросах к его же максимальной разовой ПДК. Путем несложных вычислений с учетом суммирования вредностей получаем, что для приведенного выше примера КПД очистки составляет 72,5%.

При установке контактного экономайзера за аппаратами химической технологии и топливосжигающим оборудованием, отличающимся меньшим теплонапряжением и более длительным пребыванием продуктов сгорания в агрегате, эффективность контактных устройств может быть значительно выше, так как доля  диоксида азота в сумме оксидов азота, содержащихся в продуктах сгорания, зависит от характеристики интенсивности охлаждения дымовых газов H_л/V_т (H_л – площадь лучевоспринимающей поверхности, V_т – объем топки), коэффициента избытка воздуха α и теплонапряжения топочного объема q_V. Количественные характеристики этих зависимостей установлены в [3].

По сравнению с котлами стекловаренные печи, например, характеризуются более высокими коэффициента избытка воздуха. Так, реальное значение α, измеренное в газоходе стекловаренной печи, достигает 3,5 и более, а суммарное содержание оксидов азота в неразбавленных газах – 230–250 мг/куб.м. Видимо, этим можно объяснить содержание в уходящих газах печи около 120 мг/куб.м. При столь высоком содержании диоксида азота эффективность очистки с помощью контактного экономайзера составила бы около 94%, а NOx за установкой не превышало бы 50 мг/куб.м, причем содержание диоксида азота снизилось бы до нуля.

Использование контактных экономайзеров в качестве очистных аппаратов позволяет частично окупить затраты на строительство очистных сооружений за счет улучшения использования топлива, что существенно изменяет экономические показатели очистки. Следует, однако, учитывать, что эффективная очистка отходящих газов контактным способом приводит к некоторому ухудшению качества воды, контактировавшей с газами. Проведенные исследования показали, что, как правило, увеличивается содержание свободной углекислоты и снижается рН (см. таблицу). Для нейтрализации воздействия кислой среды целесообразно некоторое подщелачивание контактирующей с газами воды.

Поглощение азотсодержащих соединений водой в контактных экономайзерах

Следовательно, контактные аппараты позволяют достаточно эффективно очищать продукты сгорания газа от оксидов азота. С уменьшением единичной мощности агрегата и увеличением коэффициента избытка воздуха эффективность метода возрастает.

Если рассматривать экономическую эффективность данного метода лишь с точки зрения защиты воздушного бассейна, то экономические показатели могут оказаться неконкурентоспособными с иными методами, применяемыми в настоящее время. В случае же использования горячей воды, получаемой в контактных экономайзерах, стоимость уменьшения выбросов оксидов азота с дымовыми газами окажется значительно ниже.

Литература

1. Аронов И.З. Контактный нагрев воды продуктами сгорания природного газа. – Л., Недра, 1978.

2. Вредные вещества в промышленности / Под ред. Н.В.Лазарева. – Л., Химия, 1977.

3. Сигал А.И. Предотвращение образования диоксида азота в отопительных котлах: Автореф. дис. …канд. техн. наук. – Л., 1985.

В соответствии с законом РФ «Об авторском праве и смежных правах» какое-либо воспроизведение третьими лицами без согласия автора данного материала не разрешено.
© Имя правообладателя исключительных авторских прав – ООО РАЦИОНАЛ, год первого опубликования – 2005