Снижение концентрации оксидов азота и серы в приземном слое воз­духа, страница 4

4. Уменьшение общего избытка окислителя а в пределах, допустимых по условиям начала быстрого увеличения выхода продуктов неполного горения (С, СО, С₂₀Н₁₂).

        Третьей разновидностью оксидов азота являются так на­зываемые «быстрые» оксиды. Образование «быстрых» окси­дов было установлено С. Фенимором при исследовании, го­рения метановоздушной смеси. Достижение равновесных кон­центраций N0 при горении стехиометрической смеси метам а и воздуха происходит за время 10^-2—10^-3 с, в то время как длительность горения смеси составляет 10^-4 с. При этом фак­тический выход N0 оказывается в этих условиях значительно большим, чем расчетный. На основании анализа ряда реак­ций Фенимор высказал предположение, экспериментально подтвержденное И. Я. Сигалом, что быстрое образование N0 объясняется связыванием молекул азота радикалами СН и С₂ в реакциях с очень малыми энергетическими затратами:

СН + N₂ ↔ НСN + N — 8,38 кДж/моль;

2С + N₂ ↔ 2СN — 16,72 кДж/моль;

СН₂ + N₂ ↔ СН + NH — 37,6 кДж/моль.

В присутствии радикала ОН протекает реакция

NH + OH → NO + H₂

Радикал ОН наряду с радикалами Н и О может нахо­диться в пламени в сверхравновесных концентрациях.

        Установлено, что быстрое образование оксида азота про­исходит во фронте пламени главным образом при горении углеводородов и углеродсодержащих топлив. В пламени во­дорода оксида азота образуется на порядок меньше, чем в пламенах метана и оксида углерода. Наиболее характерными признаками быстрого окисления азота в пламенах являются кратковременность процесса и слабая зависимость выхода N0 от температуры горения и сильная — от соотношения топливо—воздух. При этом пик концентрации N0 смещается в область богатых горючих смесей. «Быстрые» оксиды азота образуются непосредственно во фронте ламинарного пламени на участке, составляющем около 10% ширины фронта пла­мени в области температур около 700°С. Выход «быстрых» N0 при горении природного газа составляет 100—120 мг/м³ и не может быть снижен ступенчатым горением.

2.4.  Схема образования оксидов азота в топочных процессах

        Оксид азота может образовываться в зоне горения всех топлив. При сжигании твердого и жидкого топлива, содер­жащего азот в структуре органической массы, оксиды азота образуются по трем механизмам:

1) «термическому», в результате диссоциации молекул на атомы и радикалы и последующего окисления молекул азота;

2) «быстрому», действующему в начале зоны горения, в основу которого положены реакции с участием радикалов СН, СН₂; он определяет минимальный выход N0 при горе­нии газового топлива, слабо зависит от температуры и силь­но— от структуры молекулы топлива;

3) «топливному», зависящему от содержания азота в топ­ливе и избытка воздуха.

        При отсутствии азота в топливе образование оксидов азо­та происходит из молекулярного азота воздуха, участвую­щего в горении и протекает по двум механизмам «термичес­кому» и «быстрому». Схема образования N0_х показана на диаграмме. Уже при низких температурах (Т_мах< < 1200°С) при сжиганий азотсодержащих топлив наблюда­ются высокие концентрации оксидов азота в продуктах сгора­ния вследствие окисления азота топлива. При температурах     Т_мах >1900—2000°С выход N0 приближается к равновесно­му и увеличение содержания связанного азота в топливе не оказывает существенного влияния.

        В области температур Т_мах = 1200—1700°С, характерных для процессов, протекающих в топочных камерах, выход N0_х, определяется суммой оксидов азота, образующихся как по термическому механизму, так и из азота топлива и «быст­рых» N0_х. Влияние топливных N0_х на участке с Т_мах > >1600°С  ослабевает, а при Т_мах >1700^сС становится   несущественным   в   суммарном   выходе   N0_х . Концентрация оксидов азота в топке зависит от Т_мах, времени пребывания реакционной смеси в зоне макси­мальных температур и от содержания азота в топливе. При этом выход N0_х в продуктах сгорания изменяется от 0,1 до 1,5 г/м³. При температурах Т_мах >1900°С образуются «тер­мические» NO_Х в равновесных концентрациях. В области тем­ператур 2500—2900°С следует ожи­дать выхода «термических» оксидов азота порядка  14— 18 г/м³, т. е. увеличения выхода N0_х более, чем в 10 раз по сравнению с современными энергоблоками.