Нискоемисионни горелки

Азотните окиси са сред най-опасните парникови газове, изхвърляни в атмосферата. Те са токсични съединения, които съществено допринасят за замърсяването на атмосферата и за образуването на киселинни дъждове. Вредите, които азотните окиси нанасят върху околната среда, провокират и търсенето и разработването на технологии за предотвратяване и намаляване на отделяните количества. Принципно, източниците на емисии от азотни окиси могат да бъдат разделени в 2 основни групи мобилни и стационарни. Стационарните, включващи предимно горивни съоръжения, формират макар и по-малката, все пак съществена част от емисиите азотни окиси. Използването на нискоемисионни горелки (Low NOx burners) се явява един от начините за намаляване на количествата азотни окиси, получени вследствие от горивни процеси.

Формиране на азотните окиси

Под общото наименование азотни окоси (NOx) обикновено се обозначават азотният оксид (NO) и азотният диоксид (NO2). Азотният оксид е по-често срещаната форма, която се получава при процесите на горене. След като попадне в атмосферата той взаимодействието с кислорода от въздуха, следствие на което се получава азотен диоксид. В процеса на горене се формира и NO2, но като цяло количеството му съставлява малка част от общото количество получени азотни окиси.

Обикновено азотните окиси, които се формират в процеса на горене и се дължат на съдържанието на азот във въздуха за горене и в изгаряното гориво. Върху образуването им влияние оказват температурата на пламъка, прегретият въздух, температурата в пещта, излишъкът на въздух. Счита се, че върху процеса на образуване на азотни окиси най-голямо влияние оказа температурата на пламъка, като по-високата температура на пламъка рефлектира и в по-висока концентрация на азотни окиси. Температурата на пламъка е определяща и за температурата на пещта и на прегретият въздух.

Прието е източниците на азотни окиси да се подразделят в 3 групи: азотни окиси, формиращи се при взаимодействието на кислорода и азота от въздуха в условията на повишаващата се температура по време на горивния процес, наречени топлинни азотни окиси; азотни окиси, чието образуване е в резултат от окислението на азота, съдържащ се в използваното гориво по време на горивния процес и азотни окиси, формиращи се в самото начало на горенето.

Азотът, намиращ се в горивото, е с най-голяма склонност към формиране на азотни окиси при процеса на горене, но съответно извличането му от горивото е труден и немасово приложим процес. Сериозен източник на подобни азотни окиси се явяват въглищата, при изгарянето на които се образува голямо количество азотен оксид. Азотните окиси, формирани в самото начало на горенето, се дължат предимно на взаимодействието на азота с въглеводородни фрагменти като CH и CH2, в резултат на което се образуват съединения като CN, NH3, HCN, H2CN и други.

Ограничаване на емисиите азотни окиси

Принципно, методите за намаляване на азотните окиси в процеса на горене са свързани с намаляване на пиковите температури, контролиране на количеството кислород и намаляване на азота в горивото, което се отнася предимно за течните горива. Сред използваните в практиката средства са и системите за доочистване на изходящите от горивната система газове, което обаче е свързано и с немалко разходи, както и методът на селективна каталитична редукция. Широко използвани са и методите, с които се цели да се повлияе върху протичането на горивния процес в самата горивна камера. Обикновено измененията в процеса на горене преди всичко са свързани с понижаване на излишъка от въздух, което създава проблем поради непълното изгаряне на горивото, високотемпературна корозия и други.

Сред най-прилаганите методи за ограничаване на емисиите от азотни окиси са методите, насочени към контролирането на топлинните азотни окиси, т. е. образуващите се от кислорода и азота, съдържащ се във въздуха, необходим за горенето. Към тези методи се причисляват рециркулацията на изхвърляните и горивните газове, химическите добавки, катализаторите, както и разработването на специални конструкции горелки.

Нискоемисионни горелки

За съкращаване на концентрациите на вредни вещества в димните газове от горивните съоръжения, като различни видове котли например, съвременно и често приложимо решение се явява използването на специални конструкции горелки. Използването на подобни горелки позволява значително да се намалят емисиите от азотни окиси, като в същото време отпада необходимостта от използването на допълнително оборудване. Нискоемисионните горелки са сравнително евтина и лесно приложима технология за намаляване на емисиите от азотни окиси, като с подобни горелки могат да се оборудват и вече работещи котли. С тях се постига намаляване на образуването на топлинни азотни окиси и на тези, зависещи от съдържанието на азот в горивото чрез степенно изменение на смесването на горивото и въздуха по време на горенето. По този начин се постига богата на гориво зона за изгаряне, по-дълги пламъци и по-ниски максимални температури на пламъка. Добре е да се има предвид, че при изгаряне на въглища, използването на нискоемисионни горелки може да доведе до намаляване на азотните окиси с около 30-55%, но в същото време може да се стигне до по-високи нива на неизгорял въглерод и по-високи емисии на въглероден оксид. Неизгорелият въглерод и въглероден диоксид обикновено са в резултат от непълното горене, което може да се случи в резултат на недобро смесване на въздуха и въглищата. По тази причина обикновено се използва прегрят въздух за изгарянето на неизгорелия въглерод и за окисление на въглеродния оксид. На практика нискоемисионите горелки не оказват съществено влияние върху емисиите от CO2, SO2, прахови частици и т. н.

В резултат на все по-високите екологични изисквания, повечето производители се ориентират към разработването и предлагането на горелки, които допринасят за намаляване на азотните окиси. Разработени са различни конструкции и са регистрирани множество патенти. Все пак, нискоемисионните горелки могат да бъдат разделени на 2 групи - горелки със степенно изгаряне на горивото и вихрови горелки.

От своя страна степенните горелки могат да се класифицират като горелки със степенно подаване на въздуха и горелки със степенно подаване на горивото.

Конструкцията на горелките със степенно подаване на въздух обикновено е с оглед намаляване на турбулентността на пламъка, забавяйки смесването на въздуха и горивото и образувайки богата на гориво първична зона на горене. Намаляването на наличния кислород в първичната зона на горене възпрепятства образуването на азотни окиси. Степенните въздушни горелки поддържат в горивната камера окислителна среда, минимализирайки формирането на сажди и опасността от корозия при изгарянето на мръсни горива.

Горелки със степенно подаване на гориво

По-ефективна технология за намаляването на азотните окиси се явява степенуването на горивото. При тези горелки част от горивото и всичкият въздух се смесват в първичната горивна зона. Високото количество на излишен въздух значително намалява максималната температура на пламъка в първичната зона на горене, като по този начин намалява образуването на азотни окиси. Вторичното гориво се подава под високо налягане в горивната зона през серия от дюзи, които са разположени около горелката. Поради неговата висока скорост, горивният газ увлича пещните газове и насърчава бързото смесване с продуктите от горенето от първата степен. Топлината се пренася от продуктите на горене от първата степен към втората степен на горене.

За разлика от въздушните горелки, горелките със степенно изгаряне на горивото са подходящи предимно за работа с газообразно гориво. Горелките със степенуване на горивото могат да работят с по-малък излишък на въздух, което се дължи на увеличената смесителна способност в резултат от високото налягане на втората степен на инжектиране на горивото. Като допълнително предимство на степенните горивни горелки е компактният пламък.

Вихрови горелки

Редица производители влагат усилия в разработването и внедряването на вихрови горелки. Характерна особеност на този тип горелки се явява разделянето на вторичния въздух на потоци, различаващи се по количество, скорост и степен на завъртане, регулиране на съотношението на вторичния и третичния въздух. Предлаганите горелки от този тип от различните производители се различават по отделни елементи и приспособимост към използването им в промишлени условия.