Вектор развития энергетической промышленности в Российской федерации направлен на сокращение углеродного следа при сжигании топлива. На основании проекта внедрения Наилучших Доступных Технологий [1] к 2030 году планируется снижение выбросов оксида азота вдвое, что означает ужесточение норм и контроля касательно выброса в атмосферу загрязняющих веществ со стороны производства. Таким образом, развитие технологий, связанных с уменьшением эмиссии оксида азота, имеет крайне приоритетное значение в науке. Однако, наличие крайне устаревшего оборудования на многих генерирующих устройствах страны, делает эту задачу крайне комплексной, сложной, но достижимой во многих сферах, связанных с реализацией.

Цель данной работы — на основе экспериментальных и статистических данных собрать вместе современные взгляды на предмет образования окидов азота при сжигании топлива, в топках котлов, а также рассмотреть самые действенные мероприятия, технологические и конструктивные пути снижения эмиссии NO ₂ в атмосферу.

Прежде чем переходить к рассмотрению конкретных способов уменьшения доли оксида азота в выбросах, необходимо описать причины его генерации в процессе горения топлива. В настоящий момент определяют несколько механизмов образования оксидов азота — это термический, быстрый и топливный. В момент начала горения в корне турбулентного пламени, в зоне температур ниже 1800 К образуются быстрые NO [7]. В то же время с ростом температуры горения прямо пропорционально теплонапряженности топки, времени пребывания в зоне высоких температур происходит выход термических оксидов азота, которые составляют основную долю общего выхода в процессе горения [11]. Наконец последняя разновидность оксидов — топливная, наличие, в составе горючего вещества, кислорода приводит к процессу окисления и связывания его атомами азота в момент сжигания топлива, в области относительно невысоких температур. При дальнейшем контакте с окислителями и восстановителями в газовой среде компоненты переходят как в оксид азота, так и могут восстановиться до молекулярного уровня. В связи с невысокой долей температур в котлах малой и средней мощности, именно топливные оксиды могут иметь доминирующий характер.

Для энергетических котлов ТЭЦ, работающих преимущественно на жидких и газообразных топливах, основную часть выбросов оксидов азота составляют именно термические группы. Самым первым мероприятием по снижению эмиссии можно выделить изменение эксплуатационного режима работы установки, а именно снижение коэффициента избытка воздуха в зоне активного горения, однако такие действия могут приводить к увеличению доли продуктов неполного сгорания (CO, сажи и ПАУ). Однако исследования показали [7], что основная эмиссия термических оксидов задается максимальной температурой газов, а не темпами теплообмена, влияющий лишь косвенно, что означает невозможность достижения допустимых значений у определенных агрегатов за счет режимных изменений, без модернизации топочно-горелочного узла. Неоспоримым плюсом данного способа будет являться его дешевизна и относительная простота в реализации в сравнении с другими мерами.

Технологические методы снижения выбросов оксида азота являются наиболее популярными на производстве среди их многообразия можно выделить следующие: многоступенчатое, нестехиометрическое сжигание топлива, рециркуляция дымовых газов, использование специальных эмульсий и малотоксичных горелок

В случае с двухступенчатым сжиганием топлива топка разделяется на две зоны горения, где в первой происходит сжигание топлива с недостатком кислорода, а во второй дожигание с подводом, через дутьевые сопла, избытка воздуха. Недостаток воздуха на первом этапе составляет примерно (α = 0,8–0,95). В результате чего из-за низкой концентрации кислорода уменьшается образование топливных оксидов азота, также снижение температуры факела уменьшает образование термических соединений. Данный способ показывает наибольшую эффективность только в случае с правильным определением места смешения воздуха второй ступени с газовой смесью. Нарушение этого условия может привести к недостаточному смешению и не довести процесс догорания до конца. Последствиями могут служить образование продуктов неполного сгорания. Правильные расчеты и конструирование модернизации котла может привести к уменьшению выбросов NOх на 50 % [4]. Проводимые исследования для газообразного топлива, результаты показали снижение концентрации вредных выбросов при установке системы нижнего дутья [6]. Комбинация данного метода вместе с рециркуляцией дымовых газов приводит к еще более глубокому подавлению загрязняющих выбросов.

Вышеупомянутый метод рециркуляции дымовых газов подразумевает под собой включение определенной части дымовых газов в процесс сжигания топлива в горелочном устройстве. Основная идея заключается в снижении температуры факела и, как следствие, подавление термических оксидов азота. Проводимые на различных установках, исследования показали, что снижение процесса окисления азота напрямую зависят от места поступления газа рециркуляции. Наилучший эффект показал ввод газов в воздухопроводы перед горелочным устройствами [4]. При условии, что рассчитана и выбрана верная доля рециркуляции газов данный метод является достаточно эффективным и не будет оказывать влияние на КПД котла. Однако стоит отметить, что данный процесс все еще является крайне дорогостоящим.

Не менее эффективным способом снижения выбросов при сжигании жидких топлив является использование водотоплинвых эмульсий. При добавлении в состав топочного мазута воды позволит снизить его вязкость и улучшить распыление форсунками, что в свою очередь приведет к более равномерному распределению топлива в топке. Использование водомазутной эмульсии позволит снизить на 25 % [15] время подготовки и горение топлива, что приведет к уменьшению высоты факела и подавлению термических и быстрых оксидов азота. Внедрение всего лишь 10 % воды в топливный мазут понизит теплоту сгорания не более чем на 1 %, но в то же время уменьшит образование NOх в два раза [16]. Стоит отметить, что данный способ применим только для котлов, сжигающих жидкое топливо, для которых возможно компенсировать падение КПД, так как в данном методе избежать его нельзя.

Самым доступным с точки зрения бюджета является монтаж более совершенных горелочных устройств. Исследования малотоксичных горелок показывают, что главную роль играют разработки подавления температурных и топливных процессов образования оксидов азота в факеле. Поэтому в современных горелках целенаправленно формируют протяженную область смешения топлива и воздуха с пониженной температурой факела. Исследования показали, что разделение воздуха на центральный и периферийный поток, с оптимальным соотношением расходов, позволит достичь удлинение пути диффузионного смешения, тем самым, сглаживания температурное поле, что приведет к снижению образования термических оксидов азота [ 9 ]. Низкоэмиссионные горелочные устройства с двухканальной конструкции по воздуху с осевыми завихрителями в центральном и периферийном каналах формируют зоны с развитым внутренним перемешиванием, с отсутствием областей с высокими температурами [20].

В заключении можно сказать о том, что рассмотренные технологические решения, практические и теоретические данные отражают общую причину образования оксидов азота при сжигании топлива в топках котлов, которая заключается в результате сложного взаимодействия механизмов, чувствительного к температурным и временным параметрам, коэффициенту избытка воздуха, геометрических параметров топки. Каждый из рассмотренных методов имеет под собой ряд недостатков, который надо учитывать. Зарубежный и отечественный опыт показывает, что технологические меры должны рассматриваться как первоочередные по отношению к установке систем доочистки дымовых газов, которые целесообразны лишь после исчерпания конструктивных и режимных возможностей предотвращения образования оксидов азота. Дальнейшее развитие исследований в данной области должно быть связано с детализированным численным моделированием тепломассообмена в факеле, экспериментальной проверкой на действующих, эксплуатирующихся энергетических установках, а также разработкой адаптивных систем регулирования горения, способных в реальном времени поддерживать оптимальные условия с точки зрения минимизации выброса загрязняющих веществ.

Литература:

1. Об основных направлениях политики Российской Федерации в области климата и о стратегии долгосрочного развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 29 октября 2021 г. № 3052-р.
2. Штегман А. В., Рыжий И. А., Сосин Д. В., Соколова А. В., Трушков И. И. Опыт применения малоэмиссионных горелок на энергетическом котле угольной ТЭЦ для снижения выбросов оксидов азота // Теплоэнергетика. 2025. № 6. С. 92–104.
3. Росляков П. В., Егорова Л. Е., Нонкин И. Л. Технологические мероприятия по снижению вредных выбросов ТЭС в атмосферу. М.: Издательство МЭИ, 2001.
4. Жуйков А. В. Снижение оксидов азота в топках котлов // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2011. Т. 4, № 6. С. 620–628.
5. Тринченко А. А. Снижение выбросов оксидов азота при ступенчатом сжигании топлива // Научно‑технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Наука и образование. 2011. № 2. С. 52–59.
6. Технологические методы снижения выбросов оксидов азота при сжигании органического топлива в энергетических и водогрейных котлах (информация ВТИ) // Промышленная энергетика. 2011. № 4. С. 34–40.
7. Баубеков К. Т., Беркетов С. С. Об актуальности снижения образования оксидов азота в топках котлов // Вестник Карагандинского государственного технического университета. 2008. № 3. С. 57–61.
8. Таймаров М. А., Ахметова Р. В., Сунгатуллин Р. Г., Лавирко Е. С. Снижение вредных выбросов в атмосферу оксидов азота котлами ТЭС // Известия Казанского государственного архитектурно‑строительного университета. 2017. № 1. С. 180–186.
9. Соболев В. М. Современные технологические решения при разработке топочно‑горелочных устройств // Новости теплоснабжения. 2010. № 10 (146). С. 23–25.
10. Снижение выбросов оксидов азота путем рециркуляции и увлажнения части дымовых газов // С. О. К. Сантехника, отопление, кондиционирование. 2006. № 3. С. 60–63.
11. Шевердяев О. Н., Гвоздев В. М., Пахомов А. В., Майоршина Л. И. Методы снижения эмиссии оксидов азота на пылеугольных котлах // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. № 2. С. 24–28.
12. Прошкина Д. Н., Бахтина И. А. Эффективное сжигание топлива как способ снижения выбросов на ТЭЦ // Эффективное сжигание топлива на теплоэлектроцентралях: материалы научной конференции. 2015. С. 45–49.
13. Иваницкий М. С. Разработка практических рекомендаций выбора сечения газохода для непрерывного контроля и учета выбросов вредных (загрязняющих) веществ ТЭС в атмосферу // Энергосбережение и водоподготовка. 2021. № 3. С. 54–59.
14. Пономарёва Н. В. Системы сжигания и очистки газовых выбросов промышленных предприятий и ТЭС // Промышленная экология. 2014. № 2. С. 35–42.
15. Булгаков А., Булгаков Б. Подготовка топливных смесей // ММ. Деньги и технологии. Журнал для профессионалов топливно‑энергетического комплекса. 2009. № 1–2. С. 36–39.
16. Адамов В. А. Сжигание мазута в топках котлов. Л.: Недра, Ленингр. отд-ние, 1989. 304 с.
17. Росляков П. В. Методы защиты окружающей среды: учебник для вузов по направлению 140500 «Энергомашиностроение». М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 336 с.
18. Ганеев А. Т., Мингалеева Г. Р. Экологические показатели работы Уфимской ТЭЦ‑2 при сжигании мазута. С. 45–48.
19. Котлер В. Р. Оксиды азота в дымовых газах котлов. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 144 с
20. Верещетин В. А. Совершенствование низкоэмиссионных газогорелочных устройств котлов ТЭС: дис. … канд. техн. наук: 05.14.14. Москва, 2018. 131 с.