7.2. Двухстадийное сжигание топлива

Двухступенчатое или двухстадийное (а также трех- и многостадийное) сжигание топлива является одним из наиболее перспективных методов регулирования топочных режимов и одновременно снижения образования оксида азота в топочных процессах. Сущность метода заключается в том, что в первичную зону горения воздуха подается меньше, чем необходимо теоретически (₁= 0,70...0,95). В результате этого происходит снижение максимальной температуры в зоне факела, снижение содержания кислорода в ядре факела, уменьшение скорости реакции образования оксида азота и увеличение длины и светимости факела.

Из-за разбавления продуктами сгорания последующее горение протекает при более низкой температуре, вследствие чего во вторичной зоне горения оксиды азота практически не образуются. При этом в факеле горения метана протекают следующие реакции:

• в первичной зоне

2 CH₄+ 3O₂2CO+ 4H₂0 (7.3)

CH₄ + 2 O₂ CO₂ + 2 H₂O (7.4)

CH₄ + O₂  C + 2 H₂O (7.5)

C + O₂  CO + O (7.6)

O₂  O + O (7.7)

CH + N₂  HCN + N (7.8)

O + N₂  NO + N (7.9)

N + O₂  NO + O (7.10)

- во вторичной зоне

CO+OHCO₂(7.11)

C + O₂  CO₂ (7.12)

При ₁= 0,70...0,80 на второй стадии горения образуется дополнительное количество оксида азота в основном за счет окисленияHCN,NH₂иNH₃, образующихся на первой стадии горения. Исследования показали, что для того, чтобы оксид азота не образовывался на второй стадии горения, следует выбирать₁= 0,80...0,85.

Обобщение результатов многочисленных экспериментов позволили получить следующую формулу для оценки эффективности процесса двухстадийного сжигания

Aдв = 1 - 1/[1 + (₂/₁)]³(7.13)

Результаты исследований позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Двухстадийное сжигание топлива является дешевым, надежным и практически универсальным методом снижения оксидов азота при сжигании любого вида топлива в топках больших объемов с двухрядным расположением горелок.

2. При сжигании газа, мазута и угольной пыли двухстадийный процесс может быть организован:

а) путем подачи воздуха в горелки нижнего ряда с недостатком воздуха, а в горелки верхнего ряда - с избытком;

б) путем создания специальных горелок двухстадийного сжигания топлива.

7.3. Подача воды или пара в зону горения

Известно, что водяные пары влияют на скорость распространения пламени в углеводородных пламенах. Водяной пар интенсифицирует реакции горения и, прежде всего, дожигание СО за счет добавочного количество гидроксила

H₂O  H + OH (7.14)

CO + OH  CO₂ + H (7.15)

Следовательно, они могут оказывать влияние на кинетику образования оксида азота. Даже при подаче воды или пара в малом коли­честве в ядро зоны горения заметно снижается выход NO.

Это снижение объясняется следующими факторами:

- снижением максимальной температуры горения;

- уменьшением времени пребывания молекул азота и кислорода в зоне высоки температур за счет интенсификации реакции горения СО.

Ввод водяного пара за зоной образования NOне оказывает никакого влияния на его образование, а ввод его в топливовоздушную смесь оказывает примерно аналогичное по эффективности воздействие, как ввод эквивалентного по объему количества рециркуляционных газов.

Ввод водяного пара в зону горения кроме снижения образования оксида азота приводит также к снижению в продуктах сгорания концентрации оксида углерода, сажи, бенз(а)пирена и других компонентов химического недожога.

Кроме того этот метод характеризуется малым расходом пара или воды, и, следовательно, не требует строительства трубопроводов большого диаметра.

Однако при добавлении к топливу 10 % воды КПД котла снижается на 0.7 %.

Результаты обработки многочисленного ряда экспериментов позволили

получить в пределах Gвод/Gвозд = 0...0,10 следующую зависимость для определения коэффициента эффективности мероприятия

Aвод = 1 -Kвgв (7.16)

где Kв - коэффициент, характеризующий снижениеNOпри вводе водяного пара;gв =Gвод/Gвозд - массовое отношение подаваемой воды к воздуху.

Для осредненных условий Kв = 2. Однако он изменяется в значительных пределах в зависимости от того вода или пар подается в топку и в какую зону.