Выбросы оксидов азота на ТЭС

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский политехнический Университет»

 

 

 

 

Реферат 

 

Выбросы оксидов азота на ТЭС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр. 5Б21                       Кочемаскин Е.А.

 

Руководитель:                               Вагнер М.А.

 

 

 

 

 

 

 

Томск ¾ 2013

Содержание

- Введение            3

- Основные закономерностей  процесса горения      4

- Газовое топливо         4

- Жидкое топливо         6

- Твёрдое топливо         7

- Выбросы оксидов азота         8

- Возможные пути сокращения  выбросов              14 - Технические решения                 16

- Мониторинг                  20

- «Белые ящики»                 22

- «Чёрные ящики»                22

- «Серые ящики»                 23

- Вывод                   23

- Список литературы                 24

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Настало время, когда вопросы охраны окружающей природной среды выдвигаются на первый план среди общечеловеческих ценностей. От успешного решения этих вопросов зависит не только здоровье и благополучие нынешнего и будущего поколений людей, но и развитие цивилизации, и существование самого человечества. Уже сейчас темп и масштабы антропогенного воздействия превышают адаптационные возможности биосферы и поэтому происходят необратимые процессы в природе, приводящие к экологическим катастрофам. Одним из основных источников вредного воздействия на окружающую среду являются энергетические предприятия, а среди них доминирующую роль занимают тепловые электрические станции. Наиболее распространенными экологически опасными выбросами от ТЭС являются оксиды азота NOx, которые образуются при сжигании любого вида топлива. Количество образующихся и выбрасываемых в атмосферу NOx зависит от многих факторов: вида топлива, способов организации топочного процесса и очистки уходящих газов. Существуют режимно-технологические методы снижения выбросов NOx, направленные на подавление образования оксидов азота в топках котла и включающие в себя ступенчатое сжигание, нестехиометрическое сжигание, рециркуляцию дымовых газов, впрыск влаги и др. Однако это не означает что «вопрос закрыт». Применяемые методы подавления образующихся при горении оксидов азота могут привести к увеличению образования значительно более токсичных веществ - полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и, в частности, бензапирена. Поэтому необходимо дальнейшее изучение источников и закономерностей вредного воздействия, усовершенствование методов позволяющих минимизировать выбросы вредных веществ без существенных потерь в эффективности и надежности работы котельных установок и с  минимальными затратами на реконструкцию на различных видах топлива.  В этой работе рассмотрены основные закономерности и уже существующие методы снижения выбросов вредных веществ. Основное внимание уделено оксидам азота, которые образуются при сжигании любого вида топлива и являются наиболее распространенными и экологически опасными выбросами от ТЭС.

Существующие технологические методы сокращения эмиссии NOx, разработаны на основе анализа закономерностей образования и разложения оксидов азота, опробованы при сжигании большинства видов органического топлива: природного газа, каменных и бурых углей и т.д. Реализация разработанных методов осуществлена на котлах различной мощности: от промышленных котлов среднего давления до современных паровых котлов высокого давления. Помимо технологических методов, не менее важным способом снижения выбросов оксидов азота является оптимизация процесса горения. Эффективность горения определяется в основном соотношением воздуха и топлива, а также надлежащим распространением воздуха внутри котла. Поэтому выбор оптимального баланса между топливом и воздухом является определяющим фактором в отношении минимизации выбросов NOx и повышении эффективности процесса горения.

Основные закономерностей процесса горения

Газовое топливо

 

При горении топливо и воздух смешиваются и вступают в химическую реакцию с одновременным выделением большого количества тепла. В зависимости от типа смешения осуществляется горение предварительно перемешанной или предварительно не перемешанной смесей. Кроме того, в зависимости от типа потока факелы подразделяются на турбулентный и ламинарный.

В ламинарных факелах предварительно перемешанной смеси топливо и окислитель смешиваются до начала горения при ламинарном потоке. Предварительно перемешанные смеси топлива и воздуха характеризуются величиной коэффициента избытка воздуха а, в соответствии с которым можно выделить богатые (а < 1), стехиометрические (а = 1) и бедные (а > 1) смеси. Распространение свободного плоского ламинарного пламени в сторону свежей смеси определяется скоростью ламинарного горения. Скорость горения зависит только от состава смеси (значения а), давления и начальной температуры несгоревшей смеси. Если скорость ламинарного горения плоского пламени меньше скорости потока несгоревшей свежей смеси, то пламя сдувается.

В ламинарных факелах предварительно не перемешанной смеси топливо и воздух смешиваются между собой во время процесса горения при ламинарном потоке. Факелы с предварительно не перемешанной смесью имеют более сложные химические реакции, чем факелы с предварительным смешением, так как коэффициент избытка воздуха а изменяется у них от нуля (чистое топливо) до бесконечности (чистый воздух). Топливо и окислитель диффундируют к фронту пламени благодаря градиентам концентраций, обусловленным химическими реакциями. Фронт пламени не может распространяться в сторону топлива без окислителя или в сторону окислителя без топлива. В результате фронт пламени находится на границе раздела топливо-воздух (в зоне стехиометрической смеси и максимальной температуры). В отличие от факела с предварительно перемешанной смесью, в этом случае фронт пламени не распространяется самопроизвольно в сторону свежей смеси.

В турбулентном факеле предварительно перемешанной смеси фронт пламени может распространяться в турбулентный поток. Даже при небольшой интенсивности турбулентности формируются искривленные фронты ламинарного пламени. В этом случае турбулентное пламя можно рассматривать как ансамбль ламинарных микроочагов пламени. Несмотря на определенные преимущества, сжигание предварительно перемешанных смесей в технике широко не применяется из-за опасности самовоспламенения и взрывов.

Турбулентные факелы с предварительно не перемешанной смесью наиболее распространены в практике горения (в горелках промышленных и энергетических котлов), когда топливо и воздух смешиваются непосредственно в топочных камерах. Эти факелы называют также диффузионными, поскольку диффузия топлива и воздуха в зону горения является более медленным процессом по сравнению со скоростью химических реакций и динамические параметры пламени определяются диффузией. Турбулентные факелы можно в самом общем виде рассматривать как случайную совокупность большого количества ламинарных очагов пламени.

Жидкое топливо

Жидкие котельные топлива являются продуктами перегонки нефти и состоят из компонентов с разными температурами кипения. При нагревании вначале испаряются легкие жидкие фракции, затем фракции с более высокой температурой кипения. В результате остается твердая часть, содержащая коксовый остаток и золу. Горение жидких топлив связано с изменением фазового состояния и наличием границ раздела сред. Жидкое топливо впрыскивается в газовоздушный поток, в котором происходит горение. Турбулентные колебания тонкой пленки жидкости, создаваемой форсункой, вызывают ее распад и превращение в плотное облако капель, поступающих в зону горения. Подвод тепла к каплям приводит к испарению топлива в газовую среду и началу горения в газовой фазе. Вокруг капель образуется пламя предварительно не перемешанной смеси паров жидкости.

Горение мазутного факела можно рассматривать, как горение множества отдельных капель. Различают три фазы горения капли: прогрев до температуры кипения, испарение топлива в газовую фазу с образованием горючей смеси и собственно горение, когда предварительно не перемешанная смесь воспламеняется и горит вокруг капли (диаметр капли при этом уменьшается во времени пропорционально квадрату диаметра капли).

Твёрдое топливо

 

Горение угля (твердого топлива) является еще более сложным процессом. Уголь представляет собой смесь неоднородных химических соединений с весьма сложной структурой. Он содержит летучие и нелетучие горючие соединения, а также негорючие соединения, образующие золу. При горении угля можно выделить три стадии процесса: пиролиз угля, в результате которого из угля выделяются летучие соединения и образуется содержащий значительное количество углерода и золу твердый продукт - полукокс; горение летучих соединений и горение кокса.

Пиролиз угля (термический распад и дегазация) происходит при температуре выше 600 К с образованием полукокса, гудрона и летучих компонентов. Пиролиз зависит от многих физико-химических процессов и характеристик угля. Летучие соединения образуются путем выделения функциональных групп, которые затем образуют СН4, Н2, СО, НСN и др. Разрыв химических связей в угле приводит к образованию фрагментов, способных к образованию гудронов. Эти процессы сопровождаются диффузией летучих компонентов к поверхности частиц угля, где они испаряются и сгорают. Горение летучих происходит в газовой фазе. Процессы, которые при этом происходят (испарение, диффузия в газовую фазу и горение), аналогичны процессам, происходящим при горении капли.

 

Выбросы оксидов азота

 

Детально проанализированы закономерности образования оксидов азота при сжигании различных видов органических топлив, используемые при математическом моделировании процесса. Выбросы оксидов азота состоят в основном из монооксида азота NO, а также в меньших концентрациях содержат диоксид азота NO2 и закись азота N2O. В ламинарном пламени (на молекулярном уровне это можно отнести и к турбулентному пламени) образование оксидов азота является результатом четырёх отдельных химических процессов с разной кинетикой: термическое, «быстрое» и топливное окисления, а также процесс восстановления.

Термическое окисление представляет собой окисление атмосферного азота, присутствующего в воздухе.

 «Быстрое» окисление - результат высокоскоростных реакций во фронте горения.

Топливное окисление связано с атомами азота, входящими в состав топлива.

 В процессе  восстановления общий выход окислов азота понижается за счёт реакции NO с углеводородами.

Для определения эмиссии оксидов азота следует рассмотреть уравнения переноса для концентрации монооксида азота (NO). Если источником азота является топливо, то вводится дополнительное уравнение переноса для промежуточных продуктов реакции (НСN или NН3). Уравнения переноса для оксидов азота решаются, основываясь на заданном поле течения и математическом описании процесса горения, т. е. выход оксидов азота определяется, исходя из результатов детального расчета самого процесса горения. Например, при температурах пламени свыше 2200 К, каждое последующее увеличение температуры на 90 К ускоряет термическое окисление азота в два раза. По возможности необходимо также учитывать факторы турбулентности, радиационного теплообмена и химической кинетики. Получаемые результаты будут точны лишь настолько, насколько достоверны исходные данные в сочетании с адекватно подобранной физической моделью процесса горения. Точное прогнозирование количества образующихся оксидов азота в конкретном топочном устройстве позволяет сэкономить на лабораторных тестах и промышленных испытаниях, сократить отдельные этапы проектирования и в то же время разнообразить возможные варианты технических решений при разработке новых устройств, обеспечивающих оптимальные условия горения.

Для описания процесса рассматривается уравнение переноса массы для NO с учётом конвекции, диффузии, образования и поглощения. Такой подход является общепринятым и опирается на фундаментальный физический закон сохранения массы. Термическое и «быстрое» окисления описываются одним уравнением переноса для NO:

 

    (1)

 

У топливного окисления механизм более сложный. Его описание требует учета промежуточных азотсодержащих продуктов химических реакций (уравнения переноса для НСN и NН3):

 

     (2)

    (3)

 

где Y - массовые доли НСN, NH3 и N0 в газовой фазе, S - показатели выхода продуктов в химических реакциях.

Термическое окисление определяется последовательностью температурно- обусловленных химических реакций, известных как обобщённый механизм Зельдовича. Две основных реакции, определяющих термическое окисление атмосферного азота, имеют следующий вид:

 

O + N2 N + NO        (4)

N + О2 О + NO        (5)

 

Существует еще одна реакция, относящаяся к процессу термического окисления, которая особенно эффективна в условиях, близких к стехиометрическим, а также в смесях с недостатком воздуха (богатых смесях):

 

N + ОН Н + NO        (6)

 

Таким образом, результирующая скорость образования NO посредством реакций (4-6) записывается в следующем виде:

 

 

 

Константы скоростей реакций при термическом окислении для реакций (4-6) были измерены в многочисленных экспериментальных исследованиях и найдены формулы для расчёта коэффициентов скорости этих реакций.

Скорость окисления азота имеет значительную величину лишь при высоких температурах (выше 1800 К), так как вступление азота в реакцию требует разрыва прочной тройной связи в молекуле N2 (энергия диссоциации 941кДж/гмоль). Этим эффектом обусловлена высокая энергия активации для реакции (4), что делает её лимитирующей стадией обобщённого механизма Зельдовича. Энергия активации для окисления атомов N напротив невелика. При достаточном количестве кислорода скорость поглощения свободного азота равна скорости его образования, что приводит систему в квазистационарное состояние. Следовательно, скорость образования NO можно выразить как

 

       (8)

 

Из уравнения (8) вытекает, что скорость образования NO растет с увеличением концентрации кислорода, а термическое окисление, сильно зависящее от температуры, не связано с разновидностью сжигаемого топлива.

Известно, что при горении углеводородного топлива образование оксидов азота может проходить быстрее, чем прямое окисление молекул азота кислородом (т.е. термическое окисление). Альтернативный быстропротекающий процесс, ведущий к образованию оксидов азота, получил свое название: «быстрое» окисление азота. Имеющиеся данные свидетельствуют о существенном вкладе именно этого механизма в общий выход для некоторых режимов горения — таких как горение при низкой температуре, с недостатком воздуха, с интенсивной конвекцией (коротким временем индукции). Такие условия могут возникать также в устройствах открытого сжигания, при ступенчатом сжигании, в газовых турбинах и др.