Теория образования окисей азота

[GKV]

Теория образования окисей азота в котельных установках средней мощности

Условия образования оксидов при горении до сих пор не разработаны в достаточной мере и требуют глубокой проработки весьма сложной химической кинетики процесса в сочетании с детальным изучением тепломассообмена и его влияния на кинетику. В 1960-70 гг. в большинстве публикаций в качестве основной модели образования NO принималась «термическая» схема. Согласно этой схеме выход NO определяется реакцией между атомом кислорода и молекулой азота. При этом количество атомарного кислорода определяется диссоциацией молекулы О[SUB]2[/SUB] . Эти процессы имеют очень большой энергетический барьер Е = 561 кДж/моль и, следовательно, определяются температурой процесса. Однако исследования за последние 20 лет показали:

1) образование NO в пламенах имеет место не после окончания реакции горения, а не посредственно в зоне горения и зависит от ряда других химических реакций в пламенах. При этом собственно образование NO происходит не только в результате реакции атомарного кислорода с молекулой азота, но и в ряде других ;

2) образование О в пламенах происходит не только за счёт диссоциации О2 , но и в ряде других реакций, концентрация атомарного кислорода в зоне горения на 1-2 порядка выше равновесного, определяемого из условий диссоциации молекулярного кислорода и в пламенах углеводородов составляет 0,4-0,8% ;

3) максимальная температура в ядре зоны горения существенно ниже расчётной теоретической вследствие наличия сверхравновесных концентраций промежуточных продуктов реакций и теплообменных процессов ;
4) зависимость выхода NO от температуры значительно слабее, чем это предполагалось ранее.
К настоящему времени приближенно до детальной разработки процесса можно отметить 3 основных группы источников образования оксида азота при горении, которые рассмотрим ниже.

 

[GKV]

«Термические» оксиды азота

Условия протекания цепной реакции окисления атмосферного азота свободным кислородом при горении, формальная кинетика которой описывается уравнением :



В результате ряда работ различных учённых было получено уравнение для равновесного количества NO.





Так же была разработана цепная схема окисления азота, в которой активную роль играют свободные атомы кислорода и азота:



При этом концентрация атомарного кислорода остается неизменной, а скорость процесса определяется реакцией 2 схемы.

Энергетический барьер этой реакции складывается из двух составляющих :

а) энергии, требующейся на образование одного атома кислорода (Е1);

б) энергии активации реакции атома кислорода с молекулой азота (Е2);

Таким образом,

Е=Е1+Е2=494/2+314=516 кДж/моль.

Так как энергия активация этой реакции очень высока, то она предопределяет исключительно сильную зависимость скорости образования оксида азота от температуры.

Так же стоит отметить, что концентрация оксидов азота линейно увеличивается с увеличением концентрации атомарного кислорода и экспоненциально с увеличением температуры.

На основе имеющихся научных исследований были сформулированы методы подавления образования «термических» NO путем снижения скорости реакции их образования :

снижение общего уровня температур в топке путем рециркуляции продуктов сгорания с Т<400 C, подачи пара и воды в зону горения и в дутьевой воздух ;

снижение максимальных локальных температур в топке путём усиленной подачи газов рециркуляции, пара и воды в зоны максимальных температур (впрыск воды, пара в отдельные зоны факела, подача газов рециркуляции по оси, усиленная подача газов рециркуляции в центральные горелки) ;

уменьшение максимальной температуры и содержания кислорода в зоне максимальных температур путем организации ступенчатого горения ;

уменьшение общего избытка окислителя в пределах, допустимых по условиям начала быстрого увеличения выхода продуктов неполного горения С, СО, С[SUB]2[/SUB]0Н[SUB]12[/SUB].