Азан жанарғыларындағы азот тотықтарының жасалуы

Азоттың тотықтары түтiндік газдарда зиянды қоспа болып келеді.

Қазан жанарғыларында отынды жағу кезінде, ауада және отын құрамындағы азот реакцияға бейім болады және оттегімен әрекеттесіп оксид құрайды.

Жанарғыда азоттың келесідей тотықтары болады:

NO_x = NO + NO₂

(ал төмен температураларда: N2O; N2O3; N2O5 пайда болады)

Оның iшiнен 95-99 % азот тотығы NO құрайды.

Азот тотықтары отында және ауадағы азот есебінен азоттың тотығуы нәтижесінде пайда болады, сондықтан олар барлық отындардың жану өнімдерінде болады.

Семенов-Зельдович - Франк–Каменецкийдің теориясы қазан жанарғыларындағы ауада азоттың тотығуы болатын оқиғалардың жиынтығын сипаттап берді. Ауадағы азот тотығуының шарты ретінде жоғары температурада жылуды жұту кезінде ауада оттегі молекулалары диссоциациясы болып келеді.

Атомдық оттегi азот молекуласымен әсерлеседі, эндотермиялық реацияның нәтижесінде пайда болған атомдық азот, оттегі молекулаларымен экзотермиялық реакцияға түседі

N₂ + O₂ → 2NO – 180 кДж/моль (4.1)

N₂ + O → NO + N – 314 кДж/моль

О₂ + N → NO + О + 134 кДж/моль

4.1 реакциясының нәтижесінде оттық камерада негізінде азот тотығы (≈90 %) пайда болады, ал қалған азот тотығының бөлігін азот екітотығы құрайды. Азот екітотығының жасалуы тотықтардың есебiнен болуы елеулi уақытты талап етедi және өте төмен температуралардың кезінде болады. Түтіндік құбырдың шығысында NOx құрамы оттық камерамен салыстырғанда өзгермейді, тек атмосферада оның біртіндеп толық тотықтану процесі болады.

Азот тотығының жалпы саны, ауадағы азот тотықтарының және отындағы азот тотықтарының тотығуы нәтижесінде пайда болатын азот тотықтарының суммасы ретінде анықталады.

Азот тотығының жасалуының 3 кезеңі бар:

1) жоғары температурада ауадағы азот тотығуының нәтижесінде азот тотығының жасалуы – термиялық;

2) отынның құрамына кiретін азоттың тотығуы – азоттың жанармай тотығы;

3) алаудың түбінде «шапшаң» азот тотықтарының жасалуы.

Соған қатысты азоттың жанармай тотықтарының қатты әсері аз қуатты қазандарда орын алады, алаудың өзегiнде температуралары биiк емес және азоттың «әуе» тотықтарының жасалуы сол себептен аз болады.

Отынның әр-түрлі түрлерін жағу кезінде пайда болатын азот оксидтеріне ықал ететін факторлар:

- жалынның температурасы;

- жану аймағында оттегiнiң шоғырлануы;

- биiк температура аймағында жану өнiмдерiнiң болу уақыт;

- отында азоттың болуы.

Бұл факторлар өз кезегiнде ауаның артықшылық коэффициентінен, жану қондырғыларының құрылымынан, жану процесінің аэродинамикалық сипаттамаларынан, жану ошағының өлшемінен және жылулық кернеуінен, газ ағындары мен қыздыру беттерінің арасындағы жылуалмасу шарттарынан тәуелді болады.

Жану аймағыда болу уақытының көбеюi NOx жасалуының өсуiне алып келедi. NO шоғырлануы газды - әуе алауының ең жоғары температурларының аймақтарынан максималды мәнге ие болады.

4.5 сурет – азот тотығына өтетін, отынды азоттың үлесінің тәуелдiлiгi

Суреттен көрініп тұрғандай, отында азоттың аз мөлшері болғанда азот тотығының толық конверсиясы болады. Отындағы азот құрамы 1 – 1,5 % дейін өскенле температура мен жағатын отын түріне тәуелді конверсия 20 – 25 % дейін төмендейді.

Қорытынды: Отындық азот неғұрлым аз болған сайын, азот тотығына өту соғұрлым жоғары болады.

4.2.2 Азот тотығының шығарындыларын төмендетудің әдiстерi

Оттық процесiнің арнайы ұйымы, жануы кезінде пайда болған азот тотықтарының мөлшерін айтарлықтай төмендетуге мүмкіндік береді.

Оттықта температуралық деңгейдi төмендету. Бұл тәсiл табиғи газды жағатын қазандар үшiн тиiмдi. Бұл әдiс, от жағуда температураны азайтатын екi түстi экранды қолданудың көмегімен және биіктік бойынша бiрнеше қабаттардан тұратын оттықтарды қондыру жолымен жүзеге асырылады.

Түтiндік газдардың рециркуляциясы. Мәні: темепературасы 300 - 400 °С кезінде сулы экономайзерден кейiн газдар таңдалады және арнайы рециркуляциялық түтiн сорғыш арқылы оттық камерасын беріледi. Рециркуляцияның газдары ауаның жылдамдығымен оттықтың жеке перифириялық арнасына жіберіледі. Түтiндік газдардың жалпы мөлшерінен 15-20 % рециркуляциялайды. Әдiстiң тиiмдiлiгi 50 %.

Ылғал немесе будың оттыққа бүркуi ауаның жалпы мөлшерінен 5-10 % құрайды.

Әдiстiң артықшылықтары: қарапайымдылығы, реттеудiң жеңiлдiгi, шығындардың аз болуы. Газ-мазутты қазандарға NOx шығарындыларды 20-30 %-ке азайтуға мүмкіндік бередi.

Кемшiлiктері: бутүзiлуге жылудың шығындары талап етіледi, шығатын газдармен жылудың шығындары артады. Қатты отынды жағу кезінде нәтижесі аз.

Екi сатылық жағу. Барлық оттықтар арқылы ауаның кемшілігі ( = 0,8 ч 0,95) бар отын жіберіледі, NOx түзілуі үшін оттегінің жетпеуі сияқты. Ал алаудың түпкі бөлiгiне, отын толық жану үшiн ауа енгізеді. Әдістің тиімділігі 40-45%.

Оттықта NOx –тің қалпына келтiруі арқылы отынның сатылы беруі.

3 = = 1,2

2 = = 0,9

1 = =1

1 – негiзгi оттықтардың қондыру аймағы; 2 - СО және Н₂ – нің пайда болу есебінен қалпына келтiретін аймақ; 3 - СО және Н₂ жағудың аймағы.

4.6 сурет - отынның сатылы беруi кезінде оттықтардың орналастыру сұлбасы

- ауа шығыны коэффициенті.

Оттықта ( =1) негізгілерден жоғары көміртозаңды жанарғыларда (4.6 сурет) қосымша жанарғыларды ( = 0,9) қондырады, оған ауа кемшілігі бар отынның бір бөлігі жіберіледі және соның нәтижесінде СО және Н₂ түзілуінің есебінен қалпына келтіргіш аймақ пайда болады. Одан жоғары жағуды аяқтау үшiн қажеттi үшiншi реттiк ауаны енгiзу қалақшалары орналасады ( = 1,2) - СО және Н₂ – нің жану аймағы.

Жану қондырғысының құрылымы алауда отынның жалындау қарқындылығын, отынның ауамен араласу жылдамдығын және жану өзегінде температуралардың максималды деңгейін анықтайды;

Жоғары концентрациялы (10 – 30 кг шаң/1 кг ауаға) шаңның диаметрі 60-90 мм құбырлар арқылы оттықтарға берілуі NOx – тің 20% төмендеуіне алып келеді.

Оттықта ауа шығынының төмендеуi. Отынның барлық түрлері үшiн қолданылады. = 1,03 ч 1,07 кезінде оттықта оттегі концентрациясы төмендейді, демек NO_x концентрациясы да төмендейді. Бұл тәсiлдiң қолдануының негізі мыналарда жатыр: шығатын газдарда жану өнiмдерiнің пайда болуы, шығарындыда отынның болуы артады, қыздыру беттерінің қождану қарқындылығы артады, экрандардың жоғары температуралы каррозиясы.

Ауаның төменгі шығынымен оттықтардың жұмыс істеу шарты – әр оттыққа отын мен ауаның дәл мөлшері; оттықта ұйымдаспаған сорудың болмауы; оттық камерада газ тығыздығының жоғары болуы.

Отынның 700 °С дейін алдын – ала жылытуы. Бұл әдіс NOx шығарындыларын – 2-2,5 есе азайтуға мүмкіндік бередi. Ұшпа заттардың алдын – ала (от жағуға беруге дейiн) бөлінуі арқылы нәтижеге жетеді.

NOx тотықтарын басуын әр әдiсі от жағу процестерінің күрделілігімен, оттықтардың құрылысының, жанарғы қондырғыларының және отынның қасиеттерінің әр түрлiлiгімен байланысты көптеген қиыншылықтарды тудырады. NOx түзілуін басу жолымен отынды жағу процесiнде шығарындылардың төмендеуіне жетуге болмайды, олардан тазартуды қолданылады.