IES LARIDA YOQILG‘I YOQISH JARAYONIDA AZOT OKSIDLARI HOSIL BO‘LISHI VA UNI KAMAYTIRISH USULLARI

Ushbu maqolada quvvatli issiqlik elektr stansiyalarining bug‘ qozonlarida yoqilg‘ining to‘liq yonishini ta‘minlash hamda NOx oksidlari hosil bo‘lishini va ularning atmosferaga chiqarilishini keskin kamaytirish maqsadida yoqilg‘ini uch bosqichda yoqish, gaz va mazut bilan ishlaydigan bug‘ qozonlarida yonish jarayonlarini boshqarish, shuningdek yuqorida keltirilgan usullarni birgalikda qo‘llash natijasida atrof-muhitga chiqariladigan NOx miqdori kamayishi ko‘rsatilgan. Ushbu usullar orasida eng samaralisi yoqilg‘ini uch bosqichda yoqish va tutun gazlarini retsirkulyatsiya qilishdir.

ИЭСЛАРИДА ЁҚИЛҒИ ЁҚИШ ЖАРАЁНИДА АЗОТ ОКСИДЛАРИ ҲОСИЛ БЎЛИШИ ВА УНИ КАМАЙТИРИШ УСУЛЛАРИ. Юсупалиев Рисбек – ТДТУ “АЭС кафедра”си профессори, Азимова Мунира – ТДТУ “Иссиқлик энергетикаси” катта ўқитувчиси, Кучкаров Абдулло – ТДТУ 1-босқич таянч докторанти, Мусашайхова Нозима – ТДТУ 1-босқич таянч докторанти. И.А. Каримов номидаги Тошкент давлат техника университети https://doi.org/10.5281/zenodo.7279470 Аннотация. Ушбу мақолада ҳозирги вақтда юқори қувватли ИЭСларнинг буғ қозонларида ёқилғиларнинг тўла ёнишини таъминлаш ҳамда унинг ёнишида NOх оксидлари ҳосил бўлишини ва атмосферага тарқалишини кескин камайтириш мақсадида ёқилғиларни уч босқичда ёқиш кенг қўлланилиши, газ ва мазут ёқиладиган буғ қозонларида ёқилғи тўғридан-тўғри ёқилганда ва юқоридаги усулларни биргаликда қўллаш жараёнлари натижасида атроф муҳитга тарқаладиган NOх газларининг камайиш миқдори келтирилган. Бу усуллардан энг самаралиси ёқилғиларни уч босқичда ёқиш ва тутун газини рециркуляция қилиш ҳақида баён этилган.

Калит сўзлар: азот гази, азот оксидлари, термик азот, константа, гомоген, турбулент, эндотермик жараён, рециркуляция, абцорбция.

ОБРАЗОВАНИЕ ОКСИДОВ АЗОТА В ПРОЦЕССЕ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА НА ТЭС И СПОСОБЫ ЕГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ Аннотация. В данной статье для обеспечения полного сгорания топлив в паровых котлах мощных ТЭС и резкого снижения образования оксидов NOx и их выброса в атмосферу широко используется трехступенчатое сжигание топлив, процессов прямого сжигания топлива в газовых и мазутных паровых котлах, а также при совместном применении вышеперечисленных способов в результате снижается количество выбросов NOx в окружающую среду. Наиболее эффективным из этих методов является сжигание топлива в три этапа и рециркуляция дымовых газов.

Ключевые слова: азот газообразный, оксиды азота, тепловой азот, константа, гомогенный, турбулентный, эндотермический процесс, рециркуляция, абсорбция. FORMATION OF NITROGEN OXIDES IN THE PROCESS OF FUEL COMBUSTION AT TPP AND METHODS OF ITS RESTORATION Abstract. In this article, to ensure complete combustion of fuels in steam boilers of powerful thermal power plants and a sharp decrease in the formation of NOx oxides and their emission into the atmosphere, three-stage fuel combustion, direct combustion processes in gas and oil-fired steam boilers, as well as the combined use of the above methods as a result of the amount of NOx emissions into the environment is reduced. The most efficient of these methods is the combustion of fuel in three stages and flue gas recirculation.

Key words: gaseous nitrogen, nitrogen oxides, thermal nitrogen, constant, homogeneous, turbulent, endothermic process, recirculation, absorption.

КИРИШ Ҳар қандай қаттиқ, суюқ ва газсимон ёқилғиларнинг ёниши жараёнида ҳар хил турдаги, яъни N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4, NO3 каби азот оксидлари ҳосил бўлади. Шу сабабли уларни умумлаштирилган ҳолда шартли равишда NOх ҳолатда ифода қилинади. Бунга сабаб ёқилғиларни ёқиш жараёнида ёниш камерасига берилаётган ҳаво таркибида эркин ҳолатда 78% азот гази бўлиши сабабли ёқилғилар ёниши жараёнида ҳароратнинг кўтарилиб бориши натижасида бу газнинг, азот оксидларига айланиши тобора ортиб боради. Шу билан биргаликда ёқилғи таркибида ҳам мавжуд бўлган азот бирикмалари бу жараёнда азот оксидларига тўла равишда айланади. Адабиётларда ёритилишича ёқилғи таркибидаги азотни «топливный азот” ҳаво билан ёниш камерасига берилаётган азотни эса “термический азот” дейилади. Ёниш камерасида ҳар икки хил азотнинг азот оксидларига оксидланиши ёқилғининг ёниш ҳароратига, берилаётган ҳаво миқдорига, ёниш жараёнларини ташкиллаштириш қонуниятларига боғлиқ бўлади. Қуйидаги 1-расмда ҳар икки хил турдаги азотнинг оксидланиши ёқилғиларнинг ёниш ҳарорати кўтарилиб боришига қараб қандай ўзгариши келтирилган.

1-расм. Ҳароратнинг ошиб бориши билан азот оксидларининг ҳосил бўлиши.

1-ёқилғи таркибидаги азотнинг, NOх га айланиши; 2-ҳаво таркибидаги азотнинг, NOх га айланиши.

Расмдан кўринадики, ёқилғи таркибидаги азотнинг оксидланиши асосан 1000 0Сдан бошланиб 1200 0С атрофида тўла даражада тугайди. Ҳаво таркибидаги азотнинг оксидланиши эса 1100-12000Сдан бошланиб, ҳароратнинг кўтарилиб боришига қараб пропорционал равишда ортиб боради.

Бунга сабаб азотнинг азот оксидига айланиши эндотермик жараён бўлиб иссиқлик ютилиши билан қуйидаги реакция асосида ортиб боради. N х Бу реакциянинг мувозанат константасига асосан реакция содир бўлаётган муҳитда температура муҳим роль ўйнайди.

Б. Зельдович фикрича занжирли реакция асосида азотнинг оксидланиш реакцияси муҳитидаги эркин ҳолатдаги кислород ва азотнинг концентрацияга боғлиқ бўлиб қуйидаги қонуниятда содир бўлади:

1) О2 + М → О2 – О + М – 118 ккал/моль – бошланиши; 2) О + N2 → + N – 75 ккал/моль 3) N + О2 = NО + О + 32 ккал/моль 4) О + О + М → О2 + М ккал/моль – занжирнинг узилиши Бу занжирли реакциянинг кинетик тезлиги асосан 2-реакция билан белгиланади:

Ҳар хил органик ёқилғиларнинг яъни қаттиқ, суюқ ва газсимон ёқилғиларнинг ёнишида таркибидаги азотнинг оксидланиши ҳам асосан 2-реакция асосида содир бўлади. Бу реакциянинг тезлиги реакция ҳароратига ва реакция муҳитидаги атом ҳолатдаги кислороднинг концентрациясига боғлиқ. Шу сабабли реакция муҳитида кислородининг миқдори ва ҳароратнинг кўтарилиб бориши билан азот оксидининг ҳосил бўлиши ҳам тезлашиб боради. Қуйидаги 2-расмда ёқилғининг ёниш муҳитида ёниш камерасига берилаётган ҳавонинг ортиқча миқдори (α) ҳамда ёқилғининг ёниш ҳарорати кўтарилиб бориши билан азот оксидларининг ҳосил бўлиш графиги келтирилган.

2-расм. Ёниш маҳсулоти таркибида NO газининг, α миқдори ва ҳароратнинг қўтарилиб бориши билан ортиб бориши.

Ёқилғиларнинг гомоген системада ёниши жараёнларида азот оксидларининг ҳосил бўлиши қуйидагича изоҳланади: 1) Ёниш жараёни α>1 ҳолатда, яъни α – нинг миқдори қанча катта бўлса, азот оксидларининг ҳосил бўлиш тезлиги шунча ортиб боради. 2) Аксинча аралашмаларнинг ёниши, α<1 ҳолатда содир бўлса, ёниш жараёнида азот оксидларининг ҳосил бўлиш тезлиги пасаяди. 3) Ёқилғи ёнишида иссиқлик узатилиши ва ёниш муҳитларининг турбулентлилиги ҳам муҳим роль ўйнайди. Ҳаво таркибидаги азотнинг қанча миқдори азот оксидларига айланиши ёқилғининг ёниш ҳароратига, ёниш камерасига берилаётган ортиқча ҳаво миқдорига боғлиқлиги сабабли ёниш камерасида ҳосил бўладиган азот оксидининг умумий миқдори қуйидагича изоҳланади: CNO = 𝐶𝑁𝑂ҳаво+𝐶𝑁𝑂ёқилғи бунда: 𝐶𝑁𝑂ҳаво- ҳаво таркибидаги азотнинг оксидланган миқдори; 𝐶𝑁𝑂ёқилғи – ёқилғи таркибидаги азотнинг оксидланган миқдори, 𝐶𝑁𝑂ҳаво нинг миқдори 𝐶𝑁𝑂ёқилғи миқдоридан бир неча баравар кўп бўлади. Ёниш камерасида ҳар қандай ёқилғининг ёниши жараёнида ҳосил бўлган азот оксиди (NO) қозон қурилмасининг ёниш маҳсулотлари йўналтирувчи қисмида қуйидаги реакция асосида оксидланиб, азот икки оксидига айланади ва тутун гази билан биргаликда атмосферага тарқалади: 2NO + О2 + 2NO2 Ҳар қандай турдаги ёқилғиларда таркибидаги азотнинг миқдори 0,2% дан юқори бўлмайди ва ёқилғининг ёнишида азот оксидларига айланади.

Масалан: Тошкўмир таркибида боғланган азот бирикмаси миқдори 1÷5% атрофида, қўнғир кўмирда – 2% мазут таркибида эса 0,3% атрофида бўлади. Ёқилғи таркибидаги азот бирикмалари пиридин, органик моддаларнинг аммиакли тез ёнувчи бирикмалардан иборат бўлиши сабабли, ёқилғининг ёниш ҳарорати 8000-9000С бўлганда бу моддалар таркибидаги азот тўла даражада азот оксидларига айланади. ИЭС ларда органик ёқилғиларни ёқиш жараёнларида ҳосил бўладиган NOх оксидларининг миқдорини ҳамда бу газларнинг атроф – муҳитига тарқалишини камайтириш ҳозирги вақтда икки хил усулда амалга оширилмоқда. 1 – ёқилғиларни ёниш камерасида пастроқ ҳароратда ёқиш ёки берилаётган ҳаво таркибида азотнинг миқдорини камайтириш имкониятлари; 2 – тутун газини кимёвий реагентлар ёрдамида азот оксидларидан тозалаш. ИЭСларда биринчи усул ёрдамида ҳосил бўладиган NOх гази миқдорини камайтиришда қуйидаги тадбирлар кенг равишда қўлланилмоқда. а) ёниш камерасида ёқилғиларни бир неча босқичда ёқиш; б) ёниш камерасига ҳавони уч босқичда бериш; в) тутун газини ёниш камерасига рециркуляция қилиш; г) ёқилғи ёниш камерасига сув буғини пуркаш. ТАДҚИҚОТ МАТЕРИАЛЛАРИ ВА МЕТОДОЛОГИЯСИ а) Ёниш камерасида ёқилғиларни уч босқичда ёқиш. Ҳозирги вақтда юқори қувватли ИЭСларнинг буғ қозонларида ёқилғиларнинг тўла ёнишини таъминлаш ҳамда унинг ёнишида NOх оксидлари ҳосил бўлишини ва атмосферага тарқалишини кескин камайтириш мақсадида ёқилғиларни уч босқичда ёқиш кенг қўлланилмоқда. Бу усулда буғ қозони ёниш камерасида 3-расмда кўрсатилганидек, уч хил баландликда ўрнатилган горелкаларнинг пастки босқичига ёқиш учун мўлжалланган умумий ёқилғининг, (В) 70-75% ҳавонинг ҳам шунча миқдори яъни (α ≈ В) назарий миқдорига тенг қисми берилади.

3-расм. Ёқилғиларни уч босқичда ёқиш схемаси

Бу ҳолда берилаётган ҳаво ёқилғининг тўла даражада ёнишига амалий жиҳатдан етарли бўлмаслиги сабабли ёқилғи тўла даражада ёнмайди ва ёниш жараёни пастроқ ҳароратда амалга ошиши сабабли иссиқлик ажралиб чиқиши тўла даражада бўлмайди. Бунинг натижасида ёниш камерадаги N2 нинг NОх газларига айланиши ҳам кам даражада бўлади. Иккинчи босқичга, ёқилғининг қолган 30-25% ҳавонинг 25-20%, миқдори (α˂1) ёки (В˃α) берилади. Бу босқичда ҳам ҳаво ёқилғининг тўла ёнишига етарли даражада бўлмай, ҳар икки босқичларга берилаётган ҳавонинг миқдори зарурий миқдорга нисбатан 90-95% атрофида бўлади. Бу босқичда ҳам ёқилғи чала ёнади. Учинчи босқичдаги горелкаларга фақат қолган ортиқча миқдордаги ҳаво берилади. Бу эса ҳар икки босқичларда тўла ёнишига улгурмаган ёқилғиларнинг тўла ёнишини таъминлайди ва ёқилғидан иссиқлик тўла ажралиб чиқади. Шу сабабли қозонхона ўтхонасида ёқилғи пастроқ ҳароратда ёниши сабабли NOх оксидларининг ҳосил бўлиши камаяди. Буғ қозонларида ёқилғиларни уч босқичда ёқиш жараёнида ҳосил бўладиган NOх оксидларининг камайиш даражаси ёқилаётган ёқилғиларнинг турига ҳам боғлиқ. Қаттиқ ёқилғилар ёқилганда азот оксидларининг камайиш даражаси 40% га мазут ёқилганда - 35%га, газсимон ёқилғилар ёқилганда бу миқдор -45%гача камаяди. Аммо, бу усулда ёниш камерасига берилаётган ҳавонинг миқдори кўпроқ бўлиши ҳисобига тутун газининг ҳарорати 3-4%га кўтарилади, шу сабабли унинг атмосферага тарқалишида қўшимча электр энергияси сарфланиши ҳисобига қозон қурилмасининг фойдали иш коеффициенти (ФИК) 0,1-0,8% га камаяди. б) Ёниш камерасига ҳавони уч босқичда бериш. Бу усулда буғ қозони ўтхонасига ёндиргичи орқали ҳаво уч хил ҳолатда берилади. Қуйидаги 4-расмда ёндиргич қурилмаси орқали ҳавонинг берилиш ҳолати келтирилган.

4-расм. Ҳавонинг уч босқичда берилиши. Бунда: 1-бирламчи ҳавонинг; 2- ҳаво ва ёқилғи аралашмасининг; 3- иккиламчи ва 4- учламчи ҳавонинг берилиши. Бундай ёндиргичлар орқали бирламчи ҳаво ва ёқилғини пуркаб беришдаги берилаётган ҳавонинг умумий миқдори α<1 кичик бўлиши сабабли ёқилғи пастроқ ҳароратда ёнади натижада NOх газиларнинг ҳосил бўлиши камаяди. Ёндиргичнинг атрофидан берилаётган иккиламчи ва учламчи ҳаво эса унинг тўла ёнишини таъминлайди. Ёқилғиларни бу усулда ёқишда NOх газларнинг ҳосил бўлиши кўмирда 50 % гача, газни ёқишда 60 % гача камаяди. в) Тутун газини ёниш камерасига рециркуляция қилиш.

Бу усулда атмосферага чиқариб ташланаётган тутун газининг 20 % атрофидаги миқдори махсус тутун сўриб олувчи сўрғич орқали қозон қурилмаси ўтхонасига 5-расмда кўрсатилганидек регуляция қилиб қайта берилади.

5-расм. Ёқилғини уч босқичга ёқиш ва тутун газини рециркуляция қилиш схемаси.

1-буғ қозони; 2-ёндиргичлар; 3-иккиламчи ҳавонинг берилиши; 4-тутун газининг ёндиргичларга берилиши; 5-тутун газини ҳаво қиздиргичга берилиши; 6-тутун газини буғ қозонига узатилиши; 7-ҳаво қиздиргичига ҳаво берилиши; 8-тутун газининг мўрига узатилиши.

Бу усулда NOх газларининг камайишига асосий сабаб қозон қурилмаси ўтхонасига берилаётган ҳаво ва тутун гази аралашмаси таркибида азот ва кислороднинг миқдори тоза ҳаво таркибидаги миқдорига нисбатан кам бўлишидир.

Шу сабабли ёниш камерасида ёқилғининг бундай ҳолда ёниши жараёнида ёқиш учун берилаётган ҳаво таркибида азот камроқ миқдорда бўлиши сабабли NOх газлари ҳосил бўлиши, кўмир ёқилганда - 25 % гача, мазут ёқилганда – 30 % гача ва табиий газ ёқилганда – 35 % гача камаяди.

Бу усулда ҳисоблаш натижалари бўйича қўшимча тутун сўрғичнинг ишлатилиши ҳисобига ортиқча электр энергияси сарфланади, натижасида қозон қурилмасининг ФИКи 0,6 – 1,3 % га камаяди. г) Ёқилғи ёниш камерасига сув буғини пуркаш.

Бу усул асосан мазут ёқиладиган буғ қозонларида қўлланилади. Бунда ўтхона ёндиргичи орқали мазут, сув буғи аралашмаси билан биргаликда пуркаб берилганда унинг ёниши жараёнида таркибидаги сув заррачаларининг иссиқлик таъсирида буғланиши ҳисобига ёниш жараёни пастроқ ҳароратда содир бўлади. Натижада берилаётган ҳаво таркибидаги азотнинг оксидланиши камаяди.

Бу усулда мазутга қўшиладиган сув буғининг миқдори 10%дан юқори бўлмайди. Сув буғи, мазутнинг пастроқ ҳароратда ёнишини таъминлаш билан биргаликда мазутнинг ёндиргич орқали ёниш камерасида майда заррачаларга парчаланишини яъни ажралишини ва унинг тўла ёнишини таъминлайди.

Бу усулда азот оксидиларининг ҳосил бўлиши 25 % гача камаяди. Аммо сув буғи билан иссиқликнинг тутун гази орқали йўқотилиши ҳисобига қозон қурилмасининг ФИК 0,7 % га камаяди.

МУҲОКАМА Қуйидаги 1-жадвалда газ ва мазут ёқиладиган буғ қозонларида ёқилғи тўғридан-тўғри ёқилганда ва юқоридаги усулларни биргаликда қўллаш жараёнлари натижасида атроф муҳитга тарқаладиган NOх газларининг камайиш миқдори келтирилган. 1-жадвал. Атроф-муҳитга тарқаладиган NOх газларининг камайиш миқдори.

NOх газини Буғ Ёқилғи NOх ҳосил бўлиш миқдори камайтириш қозонларининг тури мг/м3 усуллари буғ ишлаб Оддий Камайтириш чиқариш шароитда усуллар қуввати, т/соат қўлланилганда Бир вақтда 670 Газ мазут рециркуляция 325; 510 120; 250 қилиш ва янги горелка қўллаш Ёқилғини уч 480 Газ мазут 470; 370 230; 220 босқичда ёқиш Ёқилғини 2 2050 Газ мазут босқичда ёқиш ва тутун газини 1200 160 рециркуляция қилиш Тутун газини 950 Газ мазут 1500; 1320 140; 210 рециркуляция қилиш ва 3 босқичда ёқиш Тутун газини 2650 газ 1200 160 рециркуляция қилиш ва ёниш камерасига сув буғини пуркаш

ХУЛОСА Жадвалда келтирилган маълумотлардан кўринадики мазут ва газ аралашмаси ҳар хил усулларда ёқилганда ҳосил бўладиган NOх газлари камайиши даражаси турлича миқдорда бўлади. Бу усуллардан энг самаралиси ёқилғиларни уч босқичда ёқиш ва тутун газини рециркуляция қилиш ҳисобланади.