Впервые в Украине разработан и испытан котел «КОЛВІ-650-DENOX» с газовой квазикинетической горелкой КП-80Б, который относится к наивысшему – третьему классу котлов по уровню экологической чистоты.
Проблемы энергетики, экологии и экономики являются глубоко взаимосвязанными между собой аспектами нашей жизни. Увеличивая выработку и потребление энергии, мы улучшаем комфортность нашей жизни и одновременно создаем проблемы в среде обитания из- за увеличения объема выбросов вредных газов, которые негативно влияют на здоровье человека.
Оксиды азота, которые присутствуют в продуктах сгорания органического топлива, относятся к наиболее агрессивным окислам, которые образуют кислотные дожди, вредные фотохимические окислители и провоцируют природные явления с пагубными последствиями.
Требования и нормы, предъявляемые к котельному оборудованию по уровню эмиссии NOx, изложены в европейском стандарте EN 676:2000; в межгосударственном стандарте стран СНГ ГОСТ 30753-2001 где предусмотрены следующие классы:
| Класс | Уровень выбросов NOx, мг/м3 |
|---|---|
| 1 | 250 |
| 2 | 140 |
| 3 | 80 |
Как известно, механизм образования NOx при сжигании природного газа делится на два типа - быстрый и термический /1/.
Быстрый тип образования окислов формируется за счет окисления атмосферного азота, начиная с температуры процесса горения свыше 1000 0С, и почти полностью зависит от наличия свободного кислорода в продуктах сгорания, при этом скорость протекания реакции очень высокая, поэтому - «быстрый NOx».
Механизм образования быстрых окислов азота иллюстрируется следующими химическими реакциями:
CH+N2=HCN+N , HCN+O=CNO+H, CNO+O=NO+CO Из которых следует, что, чем меньше свободных атомов кислорода, тем меньше вероятность образования NO и СО.
Термический тип NOx формируется из азота, находящегося в воздухе при температуре реакции свыше 1300 0С, по следующей реакции: O+N2=NO+N. NO+O=NO2 Концентрация NOx возрастает при увеличении температуры и времени пребывания продуктов сгорания в горячей зоне. При сжигании природного газа данный тип окислов по некоторым оценкам составляет 70-80% от общего количества NOx, образованного в процессе горения.
Таким образом, на основе описанных механизмов, формирования NOx, можно
сформулировать основные требования к горелочному устройству и топочному процессу:
1. Коэффициент избытка воздуха в горелке должен стремиться к стехиометрическому
значению α=1.
2. Температура процесса не должна превышать 1300 0С.
3. Интенсивность теплообмена в топочном пространстве должна быть максимальной.
Первое требования наиболее качественно может быть выдержано в горелках с полным предварительным смешением, где реализуется кинетический процесс сжигания топлива. Однако высокая теплонапряженность факела и соответственно температура процесса противоречат второму требованию.
Известным методом снижения температуры процесса горения является баластирование окислителя продуктами сгорания за счет рециркуляции дымовых газов, при этом рециркуляцию подразделяют на внешнюю и внутреннюю.
Внешняя - это подача отработавших в котле дымовых газов в воздухозаборник либо в смеситель горелки, внутренняя – подача продуктов сгорания из зоны окончания реакции окисления в зону ее начала в пределах топочного пространства.
Внутренняя рециркуляции, как более простая, хорошо протекает в котлах с тупиковой топкой, где продукты реакции окисления возвращаются в корень факела горелки. Однако реализовать этот способ в наших испытаниях не удалось, проведенные измерения не обнаружили какого-либо снижения NOx.
Известные европейские производители горелок реализуют данный способ за счет инжекции продуктов сгорания в смеситель горелки, при этом горелочные устройства рекомендуют устанавливать в котлах с проходными топками, например, в прямоточных трехходовых котлах. Уровень эмиссии NOx в таких колах достигает 80-90 мг/м3
Горелок с внешней рециркуляцией дымовых газов на украинском рынке котельного оборудования мы не обнаружили.
«Инженерным центром «Промгазаппарат» совместно с корпорацией «КОЛВІ» впервые в Украине разработали и испытали котел «КОЛВІ-650-DENOX» с газовой квазикинетической горелкой КП-80Б, который относится к наивысшему – третьему классу котлов по уровню экологической чистоты.
Экспериментальная установка. Методика проведения эксперимента.
Экспериментальная установка была собрана на базе серийного жаротрубного котла КОЛВІ-650 (1) с тупиковой топкой и неохлаждаемой фронтальной дверью, с квазикинетической горелкой КП-80Б (2) на вход вентилятора которой, был подсоединен канал рециркуляции дымовых газов со смесителем (3). Регулирование количества воздуха, поступающего на горелку, осуществлялось заслонкой (4) с приводом, а расход дымовых газов в смеситель регулировался приводом заслонки (5).
Эксперимент проводился по следующей методике. Котельная установка была выведена в стационарный режим при нагрузке 80%. Затем при постоянном расходе газа на горелку 60 нм3/час, при закрытой заслонке рециркуляции дымовых газов с помощью воздушной заслонки 4, коэффициент избытка воздуха α изменялся от 1.2 до 1.3.
Как видно из графика зависимости уровня эмиссии NOx от коэффициента избытка воздуха, при увеличении избытка воздуха, а, следовательно, снижения температуры процесса горения, концентрация «термических» окислов азота в продуктах сгорания падает (кривая 1). Далее, открывая заслонку 5, происходило замещение части воздуха дымовыми газами, т.е. заменяя свободный кислород продуктами сгорания при неизменной температуре процесса горения, мы получили снижение доли «быстрых» NOx (кривая 2).
Как видно из графика зависимости уровня эмиссии NOx от коэффициента избытка воздуха, при увеличении избытка воздуха, а, следовательно, снижения температуры процесса горения, концентрация «термических» окислов азота в продуктах сгорания падает (кривая 1). Далее, открывая заслонку 5, происходило замещение части воздуха дымовыми газами, т.е. заменяя свободный кислород продуктами сгорания при неизменной температуре процесса горения, мы получили снижение доли «быстрых» NOx (кривая 2).
Как видно из графика, кривая 1 ниже кривой 3. Мы это объясняем тем, что заслонка 5 имела не плотность на уровне 5% сечения канала рециркуляции, что уже в начале эксперимента давало существенный подсос дымовых газов в горелку.
Результаты эксперимента
Мы не стремились провести научный эксперимент с измерением всех абсолютных величин, а попытались оценить, насколько верны наши методики расчета и технология изготовления смесителя дымовых газов, горелочного устройства и системы управления процессом для достижения цели – снижения уровня эмиссии NOx.
Как видно из результатов эксперимента, даже относительно небольшой подсос дымовых газов в горелку снижает концентрацию NOx в 1.5 раза (кривые 1; 3). Организованное замещение избытка воздуха в объеме α = 0.15 привело к существенному (в 5 раз) снижению уровня эмиссии NOx, точка α =1.15 (кривые 3; 2).
Выводы
1. Принципы конструирования горелочных устройств с системой рециркуляции дымовых газов, разработанные ИЦ ПГА , позволят создать новый класс экологически более чистых водогрейных котлов.
2. Результаты, полученные на водогрейном котле «КОЛВІ-650» (эмиссии NOx = 18 ppm при α =1.17, СО = 0, в пересчете на массовую концентрацию при α = 1 составляет 48 мг/м3 ), соответствует наивысшему – третьему классу европейской классификации котлов по уровню экологической чистоты.
Литература:
1. И.Я. Сигал. Образование окислов азота при сжигании топлива. – В Сб. научн. Тр
Окислы азота и продукты сгорания топлив – Киев: Наукова думка, 1981г-с3-15.