Rola podtlenku azotu w modelowaniu emisji NO z procesów spalania paliw gazowych w piecach wysokotemperaturowych

(1)

NAUKOWE

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

. rb rb S t > f o s

Bogusław GRADON i

ROLA PODTLENKU AZOTU W MODELOWANIU EMISJI NO

Z PROCESÓW SPALANIA PALIW GAZOWYCH W PIECACH WYSOKOTEMPERATUROWYCH

HUTNICTWO

z. 67

GLIWICE 2003

(2)

ZESZYTY NAUKOWE Nr 1568

^ 2 > 5 ^d ^{j 0}

Bogusław GRADON

ROLA PODTLENKU AZOTU W MODELOWANIU EMISJI NO

Z PROCESÓW SPALANIA PALIW GAZOWYCH W PIECACH WYSOKOTEMPERATUROWYCH

GLIWICE 2003

(3)

Prof. dr hab. inż. Jerzy TOM ECZEK

K O L E G IU M R E D A K C Y JN E

RED A KTOR NACZELN Y — Prof. dr hab. Zygm unt KLESZCZEW SKI RED A KTOR DZIAŁU — Prof. dr hab. inż. Stanisław SERKOW SKI SEKRETARZ RED A KCJI — M gr Elżbieta LEŚKO

R E D A K C JA M gr K azim iera SZAFIR

R E D A K C JA T E C H N IC Z N A A licja NOWACKA

W ydano za zgodą R e k to ra P olitechniki Śląskiej

PL ISSN 0324-802X

Wydawnictwo Politechniki Śląskiej ul. Akademicka 5,44-100 Gliwice

tel./fax (0 prefiks 32) 237-13-81

Dział Sprzedaży i Reklamy (0 prefiks 32) 237-18-48

w w w .p o lsl.g liw ic e .p l/a lm a .m a te r/w p s.h tm l w y d a w n ic tw o @ p o ls l.g liw ic e .p l

N akł 100+50 A rk. wyd. 11 Ark. druk. 10 Papier offset. 70x1 0 0 ,8 0 g

Oddano do druku 17.01.03 r. Podpis, do druku 17.01.03 r. D ruk ukończ, w styczniu 2003 r.

Zam. 17/03 _______________ ____ _________________ __________________ _________________________________

Fotokopie, druk i oprawę

wykonano w Zakładzie G raficznym Politechniki Śląskiej w G liwicach, ul. K ujaw ska 1

W y k az w a ż n ie jsz y c h o z n a c z e ń ...7

1. W S T Ę P ...9

2. E M IS JE T L E N K Ó W A Z O T U Z P R Z E M Y S Ł O W Y C H K O M Ó R S P A L A N IA ...1 2 3. M E C H A N IZ M Y P O W S T A W A N IA T L E N K Ó W A Z O T U W P Ł O M IE N IA C H P A L IW G A Z O W Y C H ... 22

3.1. M e c h a n iz m te rm ic z n y Z e ld o w ic z a ... ...23

3.2. F lu k tu a c je te m p e ra tu ry ... 28

3.3. D w u tle n e k a z o tu ...3 0 3.4. P o d tle n e k a z o t u ...3 1 3.5. M e c h a n iz m F e n im o re g o ...3 4 3.6. M e c h a n iz m N N H ...3 7 3.7. R o z sz e rz o n y m e c h a n iz m te rm ic z n y ... 38

3.7 .1 . B a d a n ia sz y b k o śc i tw o rz e n ia się term ic z n e g o N O w m ie sz a n in a c h N2/O2...40

3 .7 .2 . K in e ty k a re a k c ji w e d łu g ro z sz e rz o n e g o m e c h a n iz m u te r m ic z n e g o ...40

4. C E L , T E Z A I Z A K R E S P R A C Y ... 51

5. M O D E L O W A N IE M A T E M A T Y C Z N E P Ł O M IE N I G A Z O W Y C H ... 55

5.1. R e a k to r z id e a ln y m m ie sz a n ie m re a g e n tó w ... 56

5.2. J e d n o w y m ia ro w y re a k to r p rz e p ły w o w y ...60

5.3. S ta łe ró w n o w a g i c h e m ic z n e j... 62

6. R O L A P O D T L E N K U A Z O T U W S Y N T E Z IE T E R M IC Z N E G O N O W P Ł O M IE N IA C H ...64

6.1. P ło m ie n ie m e ta n u ...64

6.2. P ło m ie ń H2/C0/N2 0/ A r ...6 8 7. R E A K C JE D E S T R U K C JI N 20 W P Ł O M IE N IA C H ... 71

(4)

8. B A D A N IA E K S P E R Y M E N T A L N E R O Z K Ł A D U N 20 ...81

8.1. S ta n o w isk o b a d a w c z e ... 81

8.2. R e a k to r p rz e p ły w o w y ... 85

8.3. B a d a n ia ro z k ła d u N 20 w m o d e lo w y c h m ie sz a n in a c h N - H - 0 ...86

8.4. B a d a n ia ro z k ła d u N 20 w śro d o w isk u c h a ra k te ry sty c z n y m d la sp a la n ia w ę g lo w o d o ró w ...87

9. M E C H A N IZ M Y P O W S T A W A N IA N O Z U D Z IA Ł E M R O D N IK Ó W W Ę G L O W O D O R O W Y C H ...92

9.1. R o la H C N w tw o rz e n iu s ię p ło m ie n io w y c h N O ...92

9.2. M e c h a n iz m p o w s ta w a n ia H C N z a p o ś re d n ic tw e m N 20 ... 95

10. E F E K T U W Z G L Ę D N IE N IA A N A L IZ O W A N Y C H M E C H A N IZ M Ó W W M O D E L O W A N IU P Ł O M IE N I P A L IW G A Z O W Y C H ... 103

10.1. P ło m ie n ie w ę g lo w o d o ro w e ... 104

10.2. R o la m e c h a n iz m u N N H w p o w sta w a n iu N O w p ło m ie n ia c h ...109

10.3. P ło m ie ń H 2/ 0 2/ N 0 / A r ... 112

11. P O D S U M O W A N IE ... 117

12. W N IO S K I...121

L IT E R A T U R A ... 124

S T R E S Z C Z E N IE ... 143

Z a łą c z n ik 1 ... 147

Z a łą c z n ik 2 ...152

WYKAZ W AŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

A - p o le p o w ie rz c h n i p rz e k ro ju , m 2

B - s ta ła w w y ra ż e n iu n a s ta łą ró w n o w a g i ch em iczn ej, K C - stę ż e n ie , m o i m '3

Cp - w ła śc iw a p o je m n o ść c ie p ln a p rz y stały m ciśn ien iu , J k g ^ K '1

D k - w sp ó łc z y n n ik d y fu z ji sk ła d n ik a g azo w eg o k w m ie sz a n in ie g azó w , m 2 s '1 D y - w sp ó łc z y n n ik d y fu z ji sk ła d n ik a k w sk ład n ik u j , m 2 s '1

dw - śre d n ic a w e w n ę trz n a re a k to ra , m

E - e n e rg ia a k ty w a c ji w ró w n a n iu A rrh en iu sa, k J m o l'1

G n - te rm o d y n a m ic z n y p o te n c ja ł G ib b sa p rz y c iśn ien iu sta n d a rd o w y m , J gk - u d z ia ł m a s o w y sk ła d n ik a k w m ie sz a n in ie

H pn - e n ta lp ia p o w sta w a n ia z w ią z k u ch em iczn eg o w w a ru n k a c h s ta n d a rd o w y c h (p„, T„), J k m o l'1 lub J k g '1

ik - e n ta lp ia w ła ś c iw a sk ła d n ik a k w m ie sz a n in ie , J k g '1 lub J k m o l'1

ichk - e n ta lp ia w ła śc iw a c h e m ic z n a sk ła d n ik a k w m ie sz a n in ie , J k g '1 lu b J k m o l'1 ifk - e n ta lp ia w ła śc iw a fiz y c z n a sk ła d n ik a k w m ie sz a n in ie , J k g '1 lub J k m o l'1 K - sta ła ró w n o w a g i ch em iczn ej

Ko - sta ła w w y ra ż e n iu n a s ta łą ró w n o w ag i c h em iczn ej, K 'n kb - sta ła sz y b k o śc i re a k c ji o d w ro tn e j, m 3m o l'1s '1

k f - sta ła sz y b k o śc i re a k c ji p rz e b ie g a ją c e j z lew ej stro n y n a p r a w ą m 3m ol"Is"1

ko - w sp ó łc z y n n ik p rz e d w y k ła d n ic z y w ró w n a n iu A rrh e n iu sa , m 3m o l'1s '1K 'n L - d łu g o ść re a k to ra , m

m - m a s a re a g e n tó w w re a k to rz e , kg m - stru m ie ń m a sy , k g /s

Mk - m a s a m o lo w a sk ła d n ik a k w m ieszan in ie, k g k m o l'1

M 2 - m a s a m o lo w a m ie sz a n in y o b lic z a n a ja k o śre d n ia w a ż o n a , k g k m o l'1

n - w y k ła d n ik p o tę g i w zm o d y fik o w a n y m ró w n an iu A rrh e n iu sa o ra z w w y ra ż e n iu na s ta łą ró w n o w a g i ch em iczn ej

N - lic z b a re a g e n tó w w p ro c e s ie N u - lic z b a N u sse lta

p - c iśn ie n ie , P a

(6)

p n - c iś n ie n ie sta n d a rd o w e , P a

P - m o c, k W

P r - lic z b a P ra n d tla r - w sp ó łc z y n n ik k o re la c ji

R - u n iw e rs a ln a s ta ła g azo w a, J k rn o l'1 K '1

R k - c a łk o w ita s z y b k o ś ć tw o rz e n ia się lu b u b y w a n ia re a g e n ta k w re a k c ja c h z je g o u d z ia łe m , k m o l m '3 s '1

R e - lic z b a R e y n o ld sa

t - czas, s

t r - c z a s p rz e b y w a n ia re a g e n tó w w strefie re a k c ji, s T - te m p e ra tu ra , K lu b °C

T m - te m p e ra tu ra śre d n ia , K lu b °C T n - te m p e ra tu ra stan d ard o w a, K lu b °C T w - te m p e ra tu ra śc ia n y , K lub °C w - p rę d k o ś ć p rz e p ły w u , m s '1

Wdk - sz y b k o ść d y fu z ji sk ła d n ik a k, m s '1 V - o b ję to ść , m 3

x - w s p ó łrz ę d n a p rz e s trz e n n a , m

Zk - u d z ia ł m o lo w y s k ła d n ik a k w m ie sz a n in ie z r - u d z ia ł m o lo w y ró w n o w a g o w y

Q - stru m ie ń c ie p ła , W

a - w sp ó łc z y n n ik w n ik a n ia ciep ła, W m '2K'*

e - b łą d w z g lę d n y

£ - w s p ó łc z y n n ik tłu m ie n ia

X - lic z b a n a d m ia ru p o w ie trz a d o sp a la n ia Xc - w s p ó łc z y n n ik p rz e w o d z e n ia c ie p ła , W m '1 K ’1

u - rz ą d re a k c ji ( R l ) w o d n ie sie n iu do m o le k u la rn e g o tle n u p - g ę sto ść, k g m ‘3

ct - o d c h y le n ie sta n d a rd o w e

AH® - sta n d a rd o w a e n ta lp ia re a k c ji c h em iczn ej w g ró w n a n ia ste c h io m e try c z n e g o , k J m o l'1

AG" - sta n d a rd o w a e n ta lp ia sw o b o d n a re a k c ji c h e m ic z n e j, k J m o l'1

1. WSTĘP

U tle n ia n ie a z o tu , to w a rz y s z ą c e p ro c e so m sp alan ia, p ro w a d z i do em isji z a n ie czy szczeń , k tó re stw a rz a ją z n a c z n e za g ro ż e n ie d la ś ro d o w isk a n atu raln eg o . P ro d u k ty teg o p ro c e s u w y s tę p u ją w a tm o sfe rz e g łó w n ie p o d p o sta c ia m i tle n k ó w N O , N 0 2 i N 20 . Ich em isje z u rz ą d z e ń te c h n ic z n y c h do sp a la n ia p o d a w a n e s ą z w y k le w p o sta c i su m y N O i N 0 2 i o k reślan e w s p ó ln ą n a z w ą N O x. O d stu p ię ć d z ie się c iu la t em isje te sy ste m a ty c z n ie rosną.

W ed łu g d a n y c h a m e ry k a ń sk ic h ro c z n e śred n ie stężen ia N O x n a d o b sz a ra m i m ie jsk im i w U S A k s z ta łtu ją się n a p o z io m ie 4 0 -8 0 p p b , z aś n ad o b szaram i ro ln ic z y m i w g ra n ic a c h 2 -1 2 p p b [1].

P o d o b n e w a rto śc i s ą re je stro w a n e n a k o n ty n e n c ie eu ro p e jsk im [2].

T len k i a z o tu p rz y c z y n ia ją się do w y stę p o w a n ia w ie lu sc h o rz e ń u lu d zi i zw ierząt. Ich u je m n y w p ły w n a śro d o w isk o p rz e ja w ia s ię p o n a d to w p o sta c i p rz y sp ie sz o n e j k o ro z ji m etali, n isz c z e n ia elew acji b u d y n k ó w , o sła b ie n ia te k sty lii o raz z a b u rz e ń fu n k cji w eg etaty w n y ch ro ś lin [3,4]. S z a c u je się, ż e u d z ia ł N O x w w y stę p o w a n iu k w a śn y c h d e sz c z ó w w skali św iatow ej w y n o si 2 5 - 3 0 % [1]. D w u tle n e k azo tu u c z e stn ic z y w p ro c e s ie p o w sta w a n ia sm ogu fo to ch em iczn eg o i z w ią z a n y c h z n im zan ie c z y sz c z e ń w tó rn y c h [5]. P o d tle n e k az o tu je s t zalic z a n y do g a z ó w ciep la rn ia n y c h . Z e w z g lę d u n a d łu g i c zas ro z k ła d u w w aru n k ach atm o sfery czn y ch je s t o n ró w n ie ż u n o sz o n y p rą d a m i k o n w e k c y jn y m i do strato sfery , gdzie p rz y c z y n ia się do d e stru k c ji o z o n u i p o w ię k sz a n ia tzw . d z iu ry o z o n o w ej. D łu g o fa lo w e skutki so m aty czn e i g e n e ty c z n e z a c h w ia n ia n atu raln ej ró w n o w a g i a z o tu w p rz y ro d z ie n ie s ą je s z c z e w p ełn i p o zn an e. W y m ie rn e n a to m ia s t stra ty e k o n o m ic z n e , w y n ik a ją c e z em isji tlen k ó w azo tu w P o lsc e w je d n y m ty lk o ro k u 1988 z o sta ły o sz a c o w a n e n a p o z io m ie 25 3 5 m in U S D [6].

W p ra w d z ie ź ró d ła p o w sta w a n ia tle n k ó w azo tu s ą w z n a c z n y m sto p n iu z w iązan e z n a tu ra ln y m i p ro c e s a m i w y stę p u ją c y m i w p rz y ro d z ie , je d n a k ż e z a c h w ia n ie ró w n o w ag i ek ologicznej je s t sp o w o d o w a n e d z ia ła ln o ś c ią czło w ie k a, g łó w n ie w w y n ik u u ty lizacji p aliw w ce lu p o z y sk iw a n ia ciep ła. P o z io m e m isji tle n k ó w az o tu z p a le n is k z a le ż y o d ro d zaju p aliw a, stech io m etrii i p a ra m e tró w te rm ic z n y c h p ro cesu . S z c z e g ó ln ie „ k o rz y s tn e ” w aru n k i do ic h p o w sta w a n ia stw a rz a ją w y so k o te m p e ra tu ro w e p ro c e s y g rz e w c z e , szero k o sto so w an e m ię d z y in n y m i w p rz e m y ś le m etalu rg iczn y m .

Z a h a m o w a n ie w z ro stu stę ż e ń N O x w atm o sferze i c z ę śc io w e ch o c ia ż p rzy w ró cen ie ró w n o w ag i e k o lo g iczn ej m o ż e b y ć u z y sk a n e je d y n ie n a d ro d z e ra d y k a ln e g o o g ra n ic z e n ia istn iejący ch em isji p o p rz e z p o d e jm o w a n ie d z ia ła ń w k ie ru n k u w y p ra c o w a n ia n ow ych,

(7)

e k o lo g ic z n ie u z a sa d n io n y c h ro z w ią z a ń i m o d e rn iz a c ji u rz ą d z e ń do sp alan ia. O siąg n ięcie z a m ie rz o n e g o c e lu w y m a g a m ię d z y in n y m i z n a jo m o śc i m e c h a n iz m ó w p o w sta w a n ia i d e stru k c ji tle n k ó w a z o tu w p ło m ie n ia c h , a ta k ż e w u k ła d a c h b e z p ło m ie n io w y c h . Im g łęb sza j e s t w ie d z a n a te m a t ty c h m e c h a n iz m ó w , ty m sk u te c z n ie jsz e m o g ą b y ć ro z w ią z a n ia p ro w a d z ą c e d o o g ra n ic z e n ia sz k o d liw y c h em isji. O d p o w ie d n ie m o d e le k in e ty c z n e p o w in n y u m o ż liw ić o k re ś le n ie w z a je m n y c h z w ią z k ó w p o m ię d z y w a ru n k a m i p ro c e s u i p o z io m e m em isji.

B a d a n ia n a d p o w sta w a n ie m tle n k ó w a z o tu p o d c z a s sp a la n ia p a liw m a ją j u ż p o n ad p ię ć d z ie s ię c io le tn ią h isto rię . P o m im o to , istn ie ją c e ro z w ią z a n ia n ie z a w sz e p o tra fią o d tw o rz y ć o b s e rw o w a n ą rz e c z y w isto ść . N a jw ię k sz e p ro b le m y stw a rz a m o d elo w an ie m a te m a ty c z n e d u ż y c h , p rz e m y sło w y c h p ło m ie n i tu rb u le n tn y c h . W y m a g a on o w ielu d an y ch e k sp e ry m e n ta ln y c h w z a k re s ie g a z o d y n a m ik i, p rz e p ły w u c ie p ła i k in e ty k i ch em iczn ej.

Is tn ie ją w p ra w d z ie d o stę p n e p ro g ra m y k o m p u te ro w e , u m o ż liw ia ją c e o b lic z a n ie ilości tle n k ó w a z o tu p o w sta ją c y c h w p rz e m y sło w y c h k o m o ra c h sp alan ia, je d n a k ż e ic h w e ry fik a c ja e k sp e ry m e n ta ln a je s t c z ę sto z a d o w a la ją c a ty lk o p o d w z g lę d e m ja k o ś c io w y m . Z teg o p o w o d u is tn ie je k o n ie c z n o ść sta ra n n e g o p rz e b a d a n ia w sz y stk ic h p o w y ż sz y c h z ja w is k cząstk o w y ch . Ich b e z p o śre d n ia o c e n a w stre fie reak cy jn ej p ło m ie n i, z w ła sz c z a p ło m ie n i d y fu zy jn y ch , n a tra fia n a p ro b le m y z w ią z a n e z d o k ła d n y m o k re ś le n ie m p o la te m p e ra tu ry [7] o raz n a d ró w n o w a g o w y c h k o n c e n tra c ji ro d n ik ó w w tej strefie [8]. U m ie ję tn e z ap la n o w an ie e k sp e ry m e n tó w p o z w a la o g ra n ic z y ć lic z b ę e fe k tó w u b o c z n y c h o ra z u ła tw ia in terp re tację w y n ik ó w .

N ie je d n o ro d n o ść i z m ie n n o ść w c zasie p ó l te m p e ra tu ry i p rz e p ły w ó w w p ło m ie n ia c h p rz e m y sło w y c h o g ra n ic z a m o ż liw o śc i w y k o rz y sta n ia ro z b u d o w a n y c h m o d eli, u w z g lę d n ia ją c y c h n ie je d n o k ro tn ie k ilk a d z ie s ią t lu b n a w e t k ilk a se t re a k c ji e le m e n ta rn y c h do o ce n y w p ły w u w a ru n k ó w sp a la n ia n a p o z io m e m isji N O x. O b lic z e n ia w y m a g a ją zn a c z n y c h n a k ła d ó w c z a su k o m p u te ro w e g o i z w ią z a n y c h z ty m k o sz tó w w y k o n a n ia n ie z b ę d n y c h an a liz o ra z cz y n n o śc i p ro je k to w y c h . D ą ż y się z a te m do d alek o id ą c y c h u p ro sz c z e ń . O p raco w an ie u p ro s z c z o n y c h m o d e li m a te m a ty c z n y c h w y m a g a je d n a k ż e o stro żn ej a n a liz y z aró w n o m e c h a n iz m ó w u tle n ia n ia p a liw a , j a k i m e c h a n iz m ó w tw o rz e n ia się tle n k ó w azo tu . W y m ag a ró w n ie ż staran n ej se le k c ji re a k c ji c h e m ic z n y c h o ra z d o k ład n eg o o k re ś le n ia ich p a ra m e tró w k in ety czn y ch .

W w a ru n k a c h w ię k sz o ś c i p ło m ie n i p rz e m y sło w y c h N O ty lk o c z ę ścio w o p o w staje w b ezp o śred n iej re a k c ji u tle n ia n ia m o le k u la rn e g o azotu. N a o g ó ł p ro c e s p rz e b ie g a p o p rz e z etap y p o śre d n ie , z u d z ia łe m p o śre d n ic h z w ią z k ó w azo to w y ch . W p racy p rz e d sta w io n o w y n ik i w ie lo le tn ic h b a d a ń a u to ra n ad m ec h a n iz m a m i k o n w ersji a z o tu w p ło m ie n ia c h p aliw g azo w y ch . W ic h efe k c ie zap ro p o n o w a n e zo sta ły ro z w ią z a n ia , k tó re p o d k re śliły rolę p o d tle n k u a z o tu w k sz ta łto w a n iu się em isji N O z p ło m ie n i, z w ła sz c z a z w y so k o te m p e ra tu ro w y c h p ie c ó w g rzew czy ch .

W p o c z ą tk o w y c h ro z d z ia ła c h p ra c y o m ó w io n o em isje N O x z p rz e m y sło w y c h k o m ó r sp alan ia o raz d o k o n a n o k ry ty czn ej an alizy sta n u w ie d z y w zak resie m e c h a n iz m ó w tw o rz e n ia się tle n k ó w a z o tu w p ło m ie n ia c h . N a ic h tle p rz e d sta w io n o cel, te z ę i z ak res p racy . O pisano w y n ik i b a d a ń m o d e lo w y c h p o w sta w a n ia N O w p ło m ie n ia c h o raz w y n ik i b ad ań e k sp e ry m e n ta ln y c h ro z k ła d u N2O. P rz e d sta w io n o p ro p o z y c ję zm o d y fik o w a n e g o m e c h a n iz m u tw o rz e n ia się N O p o d c z a s sp a la n ia p a liw g azo w y ch . L istę re a k c ji c h e m ic z n y c h d la teg o m e c h a n iz m u o ra z w a rto śc i ich p a ra m e tró w k in e ty c z n y c h z a m ieszczo n o w z a łą c z n ik u 1 na k o ń c u pracy. R e a k c je c y to w a n e w te k śc ie o zn aczo n o n u m e ra m i ta k im i sam y m i, j a k n u m ery ich p o z y c ji w z ałą czn ik u . D la ry s u n k ó w i ró w n a ń z asto so w an o o s o b n ą n u m e ra c ję w k ażd y m ro zd ziale. P o m im o o b o w ią z u ją c y c h o b e c n ie w te rm in o lo g ii ch em iczn ej o k re śle ń d itlen ek a z o tu (N O2) i tle n e k d ia z o tu (N2O ), w p racy z ach o w an o n a z w y d w u tle n e k i p o d tle n e k azotu.

T erm in y te s ą n a d a l p o w sz e c h n ie u ż y w a n e w śro d o w isk a c h b a d a c z y z a jm u ją c y c h się ek o lo g ic z n y m i sk u tk a m i p rz e m y sło w y c h p ro c e s ó w spalania.

(8)

2. EMISJE TLENKÓW AZOTU Z PRZEMYSŁOWYCH KOMÓR SPALANIA

Ź ró d ła e m isji tle n k ó w a z o tu s ą w zn ac z n y m sto p n iu z w ią z a n e z n atu raln y m i p ro cesam i, w y s tę p u ją c y m i w p rz y ro d z ie (w y ła d o w a n ia a tm o sfe ry c z n e , w u lk a n y , p o żary b u sz u i lasó w ). J e d n a k ż e z a c h w ia n ie ró w n o w a g i e k o lo g ic z n e j i w z ro s t ic h em isji są sp o w o d o w a n e d z ia ła ln o ś c ią c z ło w ie k a , g łó w n ie w w y n ik u re a liz a c ji p ro c e s ó w spalania.

S zacu je się, ż e ź ró d ła a n tro p o g e n n e s ta n o w ią o k o ło 70% w k ła d u w e m isję g lo b a ln ą N O x o raz 19% w e m isję N2O , p r z y c z y m n a jw ię k s z y u d z ia ł m a ją p ro c e s y sp a la n ia p a liw k o p a ln y c h (~ 3 9 % ). Z n a c z n y w k ła d w e m is ję tle n k ó w az o tu m a ją ró w n ie ż p ro c e s y sp a la n ia b io m a sy (~ 2 2 % ). W a rto ść ro c z n e j e m isji N O x w sk ali całe g o g lo b u z ie m sk ie g o je s t sz a c o w a n a n a 5 5 m ln to n w p rz e lic z e n iu n a N O2 [1]. W P o ls c e a n a lo g ic z n y w s k a ź n ik w y n o sił w o statn im d z ie s ię c io le c iu śre d n io 1.1 m in to n n a ro k [9].

G w a łto w n y w z ro s t e m isji N O x, o b se rw o w a n y z w ła s z c z a w o k re s ie o sta tn ic h p ię ć d z ie sięciu lat, j e s t k o n s e k w e n c ją ro sn ą c e j lic z b y ź ró d e ł em isji o ra z p o d e jm o w a n ia n ie k tó ry c h d z ia ła ń p ro e k o lo g ic z n y c h . T le n k a m i a z o tu ja k o su b sta n c ja m i e k o lo g ic z n ie szk o d liw y m i za c z ę to z a jm o w a ć się sto su n k o w o p ó źn o . Je d n o c z e ś n ie d z ia ła n ia z m ie rz a ją c e do o g ra n ic z e n ia u d z ia łu w sp a lin a c h ta k ic h su b sta n c ji, ja k : tle n e k w ę g la , sa d z a c z y z w ią z k i w ęg lo w o d o ro w e p ro w a d z iły c z ę sto d o n ie k o n tro lo w a n e g o w z ro stu e m isji N O x. P a le n is k a flu id aln e, u zn aw an e sk ą d in ą d z a c z y ste te c h n o lo g ie sp alan ia, o k a z a ły się ź ró d łe m z n a c z n y c h e m isji N2O.

P o z io m e m isji tle n k ó w a z o tu z a le ż y w z n a c z n y m sto p n iu o d ro d z a ju sp alan eg o paliw a.

N a jw y ż sz e e m isje s ą re je stro w a n e z u rz ą d z e ń o p a la n y c h p a liw a m i stały m i i ciek ły m i. W P o ls c e w k ła d e n e rg e ty k i z a w o d o w e j, d ziałającej g łó w n ie n a b a z ie w ę g la , w c a łk o w itą em isję N O x je s t sz a c o w a n y n a p o z io m ie 3 4 % [10]. Z n a c z n y w k ła d w n o si ró w n ie ż tra n sp o rt (3 8 % ) ze w z g lę d u n a w y so k ie te m p e ra tu ry w p rz e s trz e n i ro b o czej siln ik ó w sp a lin o w y c h i d u ż ą ilość p o ja z d ó w m e c h a n ic z n y c h .

S p a la n ie g a z u p ro w a d z i d o w y so k ic h em isji N O x sz c z e g ó ln ie w p rz y p a d k u u rz ą d z e ń w y so k o te m p e ra tu ro w y c h . B a d a n ia w y k a z a ły , ż e te m p e ra tu ra p ło m ie n ia i w k o n se k w e n c ji ilo ść p o w sta ją c y c h tle n k ó w a z o tu ro ś n ie z e w z ro ste m te m p e ra tu ry śc ia n k o m o ry sp alan ia [11]. R ó w n ie ż p o w s z e c h n ie sto so w a n e p o d g rz e w a n ie p o w ie trz a d o sp a la n ia w celu p o d n ie s ie n ia sp ra w n o śc i p ro c e s u p ro w a d z i do p o d w y ż s z e n ia te m p e ra tu ry w strefie in te n sy w n e g o tw o rz e n ia s ię N O [12]. W w ie lu tra d y c y jn y c h u rz ą d z e n ia c h o p a la n y c h g azem

zw ię k sz e n ie te m p e ra tu ry p o w ie trz a o 100K p o w o d u je w z ro s t em isji N O x n ie k ie d y o 50 % [13]. W p rz e m y śle sz k la rsk im , g d z ie w p rz e strz e n i p ie c ó w sto so w a n e s ą te m p e ra tu ry p rz e k ra c z a ją c e 2 0 0 0 K o raz te m p e ra tu ry p o d g rz a n ia p o w ie trz a n a w e t do 1600K , stężen ia N O x w g azach sp a lin o w y c h (w p rz e lic z e n iu n a N 0 2) k s z ta łtu ją s ię n a p o z io m ie 1.8-5.7g N0 2/m 3n (3% o bj. O2 w sp alin ach ). W p ie c a c h g rzew czy ch , sto so w a n y c h w m e ta lu rg ii, p o w ietrze do sp a la n ia je s t p o d g rz e w a n e z w y k le do o k o ło 1000K , a stę ż e n ia N O x w sp a lin a c h z a w ie ra ją się w p rz e d z ia le 0 .2 -1 .Og N0 2/m 3n [14]. Z ależn o ść p o m ię d z y te m p e ra tu rą p o w ie trz a do sp alan ia a u d z ia łe m N O x w sp a lin a c h b y ła p rz e z w ie le la t tra k to w a n a ja k o n ie u n ik n io n a k o n sek w en cja ra c h u n k u ek o n o m ic z n e g o . Z a le c a n o je d y n ie d ążen ie d o w y w a ż o n e g o k o m p ro m isu [15], a n iek tó re n o rm y p a ń stw o w e o k re ś la ły lim ity em isji z a le ż n e o d te m p e ra tu ry p o w ie trz a do sp alan ia. D o p ie ro b a d a n ia p rz e p ro w a d z o n e w o sta tn ic h k ilk u n a stu la ta c h w y k azały , że m o ż liw e je s t z n a c z n e o b n iż e n ie em isji N O x n a w e t p rz y w y so k ic h te m p e ra tu ra c h p o d g rz a n ia p o w ie trz a [1 2 ,1 6 ].

W y siłk i b a d a w c z e sk u p ia ją c e się nad m o ż liw o śc ia m i o b n iż e n ia em isji N O x z u rząd zeń do sp a la n ia z m ie rz a ją w d w ó c h k ieru n k ach , o k re śla n y c h ja k o m e to d y p ie rw o tn e i m eto d y w tó rn e. P rz e d s ię w z ię c ia w tó rn e p o le g a ją n a ra d y k a ln y m u su w a n iu N O x z e sp a lin o dlotow ych.

W m e to d a c h p ie rw o tn y c h d ą ż y się n a to m ia st do m o d y fik a c ji p ro c e s u sp a la n ia w celu o g ra n ic z e n ia p ro d u k c ji tle n k ó w azo tu .

M e to d y w tó rn e p o z w a la ją w p ra w d z ie n a ra d y k a ln e o b n iż e n ie em isji N O x, ale w y m a g a ją w y ż sz y c h n a k ła d ó w fin an so w y ch . P o n ad to n ie k tó re z n ic h s tw a rz a ją p ro b le m y z w iązan e z u ty liz a c ją z u ż y ty c h k ata liz a to ró w . Z a sto s o w a n ie z w ią z k ó w a z o tu , n a p rzy k ład am o n iak u , p ro w a d z i n ie k ie d y do w tó rn y c h em isji N2O. W n ie k tó ry c h p rz y p a d k a c h ilość p o w stająceg o w tó rn ie p o d tle n k u a z o tu je s t p ra w ie ró w n o w a ż n a z ilo ś c ią u su w a n e g o N O [1].

M e to d y p ie rw o tn e p o z w a la ją n ie k ie d y z n a c z n ie o b n iż y ć e m isję N O x p rz y n iew ielk ich nak ład a ch fin an so w y ch . R o z w ią z a n ia te c h n ic z n e p o w in n y z m ie rz a ć d o o b n iżen ia m ak sy m aln ej te m p e ra tu ry p ło m ie n ia i stę ż e n ia tle n u w p ło m ie n iu o raz sk ró c e n ia czasu p rz e b y w a n ia re a g e n tó w w strefie w y so k ic h tem p eratu r. W p ra k ty c e c e le te s ą n ajczęściej o siąg an e p o p rz e z [1 3 ,1 7 -2 3 ]:

- d o k ła d n ą k o n tro lę n a d m ia ru p o w ie trz a do sp alan ia, - re c y rk u la c ję sp a lin do p ło m ie n ia lub utlen iacza, - sto p n io w an ie p o w ie trz a do sp alan ia,

sto p n io w an ie p aliw a.

(9)

B a d a n ia p rz e m y s ło w y c h p a ln ik ó w d y fu z y jn y c h w y k a z a ły , ż e z a le ż n o ść em isji N O x od lic z b y n a d m ia ru p o w ie tr z a do sp a la n ia w y k a z u je m a k s im u m d la X > 1 [2 0 ,2 1 ]. N ajw y ższe s tę ż e n ia N O x w s p a lin a c h b y ły o b se rw o w a n e d la X » 1.1 w p rz y p a d k u , g d y p o w ie trz e do sp a la n ia n ie b y ło p o d g rz e w a n e i d la X » 1.3 p rz y te m p e ra tu rz e p o w ie trz a d o sp a la n ia rów nej o k o ło 1000°C . P o d o b n e z a le ż n o śc i w y s tę p u ją d la p ło m ie n i k in e ty c z n y c h . Is to tn e o b n iżen ie e m isji N O x m o ż e b y ć z a te m o sią g n ię te w p ro s ty sp o só b p o p rz e z o d p o w ie d n ią re g u la c ję stru m ien i p a liw a i p o w ie trz a . M e to d a n ie w y m a g a z m ia n w k o n stru k c ji p a ln ik a , a je d y n ie z a p e w n ie n ia o d p o w ie d n ic h w a ru n k ó w ste ro w a n ia i u w a ż n e j k o n tro li lic z b y n ad m iaru p o w ie trz a p o d c z a s e k sp lo a ta c ji u rząd zeń .

W y so c e s k u te c z n ą m e to d ą o b n iż e n ia em isji te rm ic z n y c h N O z p iecó w w y so k o te m p e ra tu ro w y c h je s t re c y rk u la c ja sp a lin do p ło m ie n ia . P o z w a la o n a n ie tylko o b n iż y ć te m p e ra tu rę p ło m ie n ia , a le ró w n ie ż k o n c e n tra c ję tle n u w p rz e s trz e n i reak cy jn ej.

R e c y rk u la c ja sp a lin m o ż e b y ć re a liz o w a n a n a d w a sp o so b y : ja k o re c y rk u la c ja z e w n ę trz n a i re c y rk u la c ja w e w n ę trz n a . R e c y rk u la c ja z e w n ę trz n a p o le g a n a z a w ra c a n iu czę śc i stru m ien ia sp alin z z a k o m o ry p a le n isk o w e j d o p o w ie trz a sp alan ia. M o ż liw e j e s t o b n iż e n ie em isji N O x o o k o ło 7 0 % p rz y z a w ra c a n iu ty lk o 1 5 -2 0 % stru m ie n ia g a z ó w sp a lin o w y c h [18,24]. M e to d a je s t w y so c e e fe k ty w n a , a le w y m a g a sto so w a n ia d o d a tk o w y c h u rz ą d z e ń p rzetłaczający ch . P o n a d to k o n s tru k c ja p rz e w o d ó w sp a lin o w y c h p o w in n a u w z g lę d n ia ć e fe k t ro zszerzaln o ści term iczn ej i u m o ż liw ia ć ic h k o m p e n s a c ję ciep ln ą. R y su n e k 2.1 p o k a z u je d w a ro z w ią z a n ia te c h n ic z n e re c y rk u la c ji z e w n ę trz n e j sp a lin [2 0 ,2 1 ]. W p rz y p a d k u z a w ra c a n ia spalin w y so k o te m p e ra tu ro w y c h , b e z p o śre d n io z z a k o m o ry s p a la n ia , n a jc z ę śc ie j sto su je się in jek to ry . W c e lu z a p e w n ie n ia e fe k tu in ie k c ji w e n ty la to ry p o w ie trz a p o w in n y ch a ra k te ry z o w a ć się o d p o w ie d n io w y so k im sto p n ie m sp rężan ia. P rz e tła c z a n ie c h ło d n ie jsz y c h sp a lin z z a re k u p e ra to ra re a liz u je s ię p o p rz e z z a in s ta lo w a n ie o d rę b n e g o w e n ty la to ra , k tó ry p o w in ie n b y ć p rz y s to s o w a n y do p ra c y w p o d w y ż sz o n e j te m p e ra tu rz e . N ie m n iej sk u te c z n ą m e to d ą o b n iż e n ia e m isji N O x je s t re c y rk u la c ja w e w n ę trz n a sp a lin do p ło m ie n ia . Jej in te n sy w n o ść z a le ż y o d c h a ra k te ry sty k p rz e p ły w u g a z u i p o w ie trz a u w y lo tu d y sz p a ln ik o w y ch . R y s u n e k 2 .2 p re z e n tu je d w a sp o s o b y re a liz a c ji tej m e to d y . W p rzy p ad k u d łu g ic h p ło m ie n i sp a lin y k ie ro w a n e s ą d o ze w n ę trz n e j s tre fy p ło m ie n ia . S iln ie z aw iro w an y p ło m ie ń p ła sk i s tw a rz a n a to m ia s t w a ru n k i z a s y s a n ia sp a lin d o je g o czę śc i cen traln ej [2 0,2 1].

R e c y rk u la c ję w e w n ę trz n ą sp a lin z p o w o d z e n ie m w y k o rz y sta n o w k o n stru k c ja c h p a ln ik ó w

I '

I--- Q ---1

2 Wentylator

Rys. 2.1. Zewnętrzna recyrkulcja spalin [21]: 1-gorące spaliny, 2-chłodne spaliny Fig. 2.1. External recirculation o f flue gases [21]: 1-hot flue gases, 2- cold flue gases

Pow. W

Gaz

Pow. W',

V

✓

/

c Recyrkulowane spalmy Pow.

I— Ptomień

c

G a z ^ :

Pow.

V

t \

Recyrkulowane spaliny

9777777777777777

Ptomień dtugi

a ./« ,.__

Recyrkulowane spaliny

/77777777777777.:

Ptomień plaski Silnie zawirowany

Rys. 2.2. Dwa rodzaje recyrkulacji wewnętrznej spalin do płom ienia [21]

Fig. 2.2. Two ways o f internal recirculation o f flue gases to flame [21 ]

F L O X [16] o ra z G A F T . K o n c e p c ja p a ln ik a G A F T p o w sta ła w w y n ik u w ie lo le tn ic h bad ań , p ro w a d z o n y c h p rz y w sp ó łu d z ia le a u to ra p rz e z z e sp ó ł b a d a w c z y K a te d ry E n erg ety k i P rocesow ej P o lite c h n ik i Ś ląskiej [1 2,25-28]. R y su n ek 2.3 p rz e d s ta w ia c h arak tery sty czn y e fek t re c y rk u la c ji sp alin do p ło m ien ia, w y m u szo n ej p rz e z k o n stru k c ję p a ln ik a G A F T , w p o ró w n a n iu z p a ln ik ie m stan d ard o w y m [26]. R ad y k aln e o b n iż e n ie em isji N O x u zy sk an o w p a ln ik u G A F T p o p rz e z stw o rz e n ie ta k ic h w a ru n k ó w w y p ły w u stru g z p a ln ik a , p rz y k tó ry ch

(10)

Palnik

Palnik G AFT

p ow Temperatura płomienia

Rys. 2.3. Porów nanie charakterystycznych rozkładów tem peratury dla palnika standardowego i palnika G AFT [26]

Fig. 2.3. Com parison o f the characteristic flame tem perature distribution for the standardand GAFT bum ers [26]

za w ra c a n e sp a lin y m ie s z a ją się z g a z a m i p ło m ie n ia w m ie jsc u , w k tó ry m n ie o sią g n ę ły one je s z c z e m a k sy m aln ej te m p eratu ry . P ierw sze, o b sz e rn e b a d a n ia p a ln ik a w y k o n a n o w skali p ó łte c h n ic z n e j, w p ro sto o sio w e j k o m o rz e sp a la n ia i w je d n o d ro ż n y m p ie c u w g łę b n y m [26].

S tę ż e n ia N O x i C O w sp a lin a c h o p u sz c z a ją c y c h k o m o ry sp a la n ia p o ró w n a n o z a n a lo g iczn y m i stę ż e n ia m i re je stro w a n y m i d la p a ln ik a sta n d a rd o w e g o o sto su n k u d łu g o śc i k sz ta łtk i p aln ik o w ej do je j śred n icy w ew n ętrzn ej L /D = 4 .0 . S z c zeg ó ln y e fe k t o b n iż e n ia e m isji N O x u zy sk an o p rz y w sp ó łd z ia ła n iu p a ln ik a G A F T z k o m o r ą p a le n is k o w ą p ie c a w g łę b n e g o . W ty m p rz y p a d k u k o n stru k c ja k o m o ry p ie c a d o d a tk o w o in te n sy fik u je w y m u s z o n ą p rz e z p a ln ik re c y rk u la c ję sp alin , co p o k a z a n o n a rys. 2 .4. R y su n e k 2.5 p re z e n tu je z m ie rz o n e stężen ia N O x i C O w sp a lin a c h z p ie c a w g łę b n e g o z p a ln ik ie m G A F T i p a ln ik ie m sta n d a rd o w y m

Pow.

Gaz

&

\ T

Spaliny j—

-- J

C □ □ □ □

□ □□ L.

Rys. 2.4. Jednodrożny piec wgłębny z nagrzewanymi wlewkami Fig. 2.4. One-way soaking pit with ingots

180

150

g 120

№ a

8 90 O

z

/

• / / .

// / N O ,

•

// // •

• ✓' /

/*

y

y ss

CO „ O ^.O"

o ^_o**

o—— c o _

N0

1 ^ 3 . — C

;S:8

100 200 300 W 0 500

T e m p e r a tu ra p o w ietrza, °C

600

Rys. 2.5. M ierzone stężenia N O x i CO w spalinach z jednodrożnego pieca wgłębnego w funkcji tem peratury pow ietrza do spalania: (--- ) palnik standardowy, (--- ■) palnik GAFT;

P=290kW , >.=1.09, Tw = 1000°C [26]

Fig. 2.5. Influence o f combustion air tem perature on N O x and CO emission from a one-way soaking pit for: (---) standard burner, (--- ) GAFT burner; P=290kW , /.=1.09, Tw = 1000°C [26]

(11)

o tej sam ej m o c y c ie p ln e j. P a ln ik G A F T p ra w ie n ie z a le ż n ie o d te m p e ra tu ry p o w ie trz a do sp a la n ia p ro w a d z i d o u d z ia łu N O x w sp a lin a c h n a p o z io m ie o k o ło 5 p p m , co je s t stężen iem b lisk o 4 0 ra z y m n ie js z y m o d o b se rw o w a n e g o w p rz y p a d k u p a ln ik a sta n d a rd o w e g o [26].

R e a liz o w a n y p rz y z a s to s o w a n iu teg o p a ln ik a sp o só b s p a la n ia p ro w a d z i je d n o c z e ś n ie do za sk a k u ją c o n is k ic h e m isji tle n k u w ęg la. P a ln ik z o sta ł z p o w o d z e n ie m z a sto so w a n y w p rz e m y sło w y c h ru ra c h p ro m ie n iu ją c y c h : ty p u U (rys. 2 .6 ) i p ro s to o sio w e j (rys. 2 .7 ) [29-32].

R y su n e k 2 .8 p rz e d s ta w ia z m ie rz o n e w arto ści stę ż e ń N O x w sp a lin a c h z ru ry p ro m ien iu jącej

Spaliny

f

Rys. 2.6. Rura prom ieniująca typu U z palnikiem G AFT Fig. 2.6. U -type radiant tube w ith G AFT bum er

Pow.

Rys. 2.7. Rura prom ieniująca prostoosiowa z palnikiem GAFT Fig. 2.7. Straight axis radiant tube w ith G A FT bum er

ty p u U , a rys. 2 .9 z ru ry p ro sto o sio w ej. B a d a n ia w y k o n an o d la m o c y p a ln ik ó w 20 i 30kW oraz liczb y n a d m ia ru p o w ie trz a A .= l.l. R ó w n ie ż w ty m p rz y p a d k u , p o m im o n iew ielk ich ro z m ia ró w k o m o ry sp alan ia, u zy sk an o o d p o w ie d n i sto p ień re c y rk u la c ji w ew n ętrzn ej sp alin i w k o n se k w e n c ji ra d y k a ln e o b n iż e n ie em isji N O x.

S z c z e g ó ln ą fo rm ę rec y rk u la c ji w ew n ętrzn ej sp a lin stw a rz a z a w iro w a n ie p o w ietrza, sto so w an e w n ie k tó ry c h ro z w ią z a n ia c h p a ln ik ó w g azo w y ch . B a d a n ia d y fu z y jn y c h p ło m ien i g a z u ziem n eg o w y k a z a ły , ż e z a sto so w an ie n ie w ie lk ic h k ą tó w z a w iro w a n ia m o ż e p ro w a d z ić

550 650 750 850 950

Tem peratura pieca, °C

Rys. 2.8. W pływ tem peratury pieca na mierzone stężenia NO* w spalinach z rury promieniującej typu U przy X = 1.1: (o — 20kW, A — 30kW ) palnik standardowy, ( • — 20kW, A — 30kW) palnik G AFT [31]

Fig. 2.8. Influence o f furnace temperature on N O x emission from U-type radiant tube for X = 1.1 and:

(o — 20kW, A — 30kW ) standard bum er, ( • — 20kW, ▲ — 30kW ) GAFT bum er [31 ]

(12)

Temperatura pieca, °C

Rys. 2.9. W pływ tem peratury pieca na mierzone stężenia N O x w spalinach z prostoosiowej rury prom ieniującej dla X = 1.1 i P = 30 kW: (o — ) palnik standardowy, ( • — ) palnik GAFT [31]

Fig. 2.9. Influence o f furnace tem perature on N O x emission from straight axis radiant tubefor X = 1.1 and P = 30 kW : (o — ) standard burner, ( • — ) GAFT burner

n ie ty lk o do o b n iż e n ia , ale n a w e t d o w z ro stu stę ż e ń tle n k ó w a z o tu n a w y jśc iu z k o m o ry sp a la n ia [12]. D o p iero p rz y k ą ta c h sk rę c e n ia ło p a te k a = 4 5 ° m ie rz o n e k o n c e n tra c je N O x w s p a lin a c h w ra c a ły do p o z io m u o b se rw o w a n e g o w p rz y p a d k u , g d y p o w ie trz e n ie b y ło zaw iro w y w a n e . D a lsz e b a d a n ia w y k a z a ły , ż e w ce lu o sią g n ię c ia isto tn eg o e fe k tu o b n iżen ia em isji N O x n ie z b ę d n e j e s t sto so w an ie sto p n i z a w iro w a n ia n ie m n ie js z y c h o d 1.5 [20]. T ak in te n sy w n e z a w iro w a n ie p o w ie trz a stw a rz a d o g o d n e w aru n k i d la w ste c z n e g o p rz e p ły w u sp a lin w z d łu ż o si p ło m ie n ia i w k o n se k w e n c ji p ro w ad zi do o b n iż e n ia m a k s im ó w te m p e ra tu ry i k o n c e n tra c ji tle n u w stre fie n a jw ię k s z y c h sz y b k o ś c i tw o rz e n ia się N O .

S te ro w a n ie g a z o d y n a m ik ą w o b sz a rz e p ło m ie n ia p o z w a la sk u te c z n ie k o n tro lo w a ć p a ra m e try o d p o w ie d z ia ln e z a p o w sta w a n ie tle n k ó w azo tu . N a jw ię k sz e z n a c z e n ie m a

o c zy w iście k o n stru k c ja p a ln ik a , ale m u si b y ć o n a ro z p a try w a n a w p o w ią z a n iu z w ie lk o ś c ią i k sz ta łte m k o m o ry sp alan ia. W ie lo le tn ie d o św ia d c z e n ia w ty m za k re sie w sk azu ją, że k ażd y p a ln ik p o w in ie n b y ć tra k to w a n y ja k o in te g ra ln a część k o m o ry sp a la n ia z je d n o c z e sn y m u w z g lę d n ie n ie m w y m o g ó w p ro c e s ó w tech n o lo g ic z n y c h , d la k tó ry c h u rz ą d z e n ie je s t p ro je k to w a n e [1 2 ,1 8 ,2 4 ,3 3 ].

S to p n io w an ie sp a la n ia je s t re a liz o w a n e n ajczęściej p o p rz e z ro z d z ie le n ia p o w ie trz a do sp alan ia [18]. P ro ces d z ie li się n a d w ie strefy: strefę sp a la n ia p ierw o tn e g o z n ie d o m ia re m p o w ie trz a i n a s tę p u ją c ą p o niej strefę d o p alan ia, do której d o p ro w a d z a n e je s t p o w ietrze w tó rn e. U z y sk u je się w te n sp o só b o b n iżen ie p ik ó w te m p e ra tu ry i stę ż e ń tle n u o raz w y ró w n a n ie ic h ro z k ła d ó w w p ło m ien iu . E m isja N O x z a le ż y g łó w n ie o d sto p n ia ro z d z ia łu p o w ie trz a i g e o m e trii p aln ik a. B a d a n ia w y k a z a ły , że stre fa sp a la n ia p ie rw o tn e g o n ie w n o si w k ła d u w em isję, je ż e li lic z b a n a d m ia ru p o w ie trz a p ie rw o tn e g o n ie p rz e k ra c z a w a rto śc i 0.5.

N a jw a ż n ie jsz y m i e le m e n ta m i g eo m etrii p a ln ik a s ą lic z b a i p o ło ż e n ie d y sz p o w ie trz a w tó rn eg o . O b n iż e n iu em isji N O x sp rz y ja zm n ie jsz e n ie liczb y d y sz p o w ie trz a w tó rn eg o o raz z w ięk szen ie ic h o d le g ło śc i o d o si p ło m ie n ia [2 0].

W n ie k tó ry c h szc z e g ó ln y c h ro z w ią z a n ia c h te c h n ic z n y c h o b n iż e n ie tem p eratu ry p ło m ie n ia i w k o n se k w e n c ji te rm ic z n y c h N O rea liz o w a n e je s t p o p rz e z sp alan ie w p o b liżu p o w ie rz c h n i c ia ła stałeg o [34], d o d a te k w o d y lu b p a ry w o d n ej do p ło m ie n ia [35], c h ło d ze n ie p ło m ie n ia m e ta lo w y m i e le m e n ta m i lu b ru ra m i w o d n y m i, sp alan ie u b o g ic h m ieszan ek g a z o w o -p o w ie trz n y c h o ra z sp alan ie k a ta lity c z n e [36]. S k rajn ie n isk ie te m p eratu ry , rzęd u 8 5 0 - 1 100°C, elim in u jące p ra k ty c z n ie ca łk o w ic ie p o w sta w a n ie te rm ic z n e g o N O , w y s tę p u ją w k o n cep cji sp alan ia g a z u n a p o w ierzch n i ro z d ro b n io n eg o c ia ła stałeg o w z ło ż u flu id aln y m [37].

(13)

3. MECHANIZMY POWSTAWANIA TLENKÓW AZOTU W PŁOMIENIACH PALIW GAZOWYCH

Ź ró d łe m p o w s ta w a n ia tle n k ó w az o tu w p ro c e s a c h s p a la n ia je s t a z o t atm o sfe ry c z n y d o p ro w a d z a n y z p o w ie trz e m do sp a la n ia lub a z o t z w ią z a n y c h e m ic z n ie w p a liw ie (azo t p a liw o w y ). P o d c z a s s p a la n ia p a liw g a z o w y c h tlen k i a z o tu tw o rz ą się p ra w ie w y łą c z n ie z az o tu a tm o sfe ry c z n e g o . W y ją tk ie m s ą n ie k tó re p a liw a z a w ie ra ją c e d o m ie sz k i zw ią z k ó w azo to w y ch , n a p rz y k ła d N H3. T le n k i z az o tu za w a rte g o w p a liw ie , n a z y w a n e tlen k am i p a liw o w y m i, p o w s ta ją w z n a c z n y c h ilo śc ia c h g łó w n ie w u rz ą d z e n ia c h do sp a la n ia p aliw stałych. S z a c u je się, ż e ic h c a łk o w ity w k ła d w em isje g lo b a ln e z k o tłó w p y ło w y c h w y n o si p o n a d 8 0 % [38]. C h o c ia ż w ie le p ro c e s ó w fiz y k o c h e m ic z n y c h z a c h o d z i w ó w c z a s n a g ran icy p o m ię d z y g a z e m i c ia łe m stały m , to ró w n ie ż w ty m p rz y p a d k u n ie m o ż n a p o m in ą ć zn a c z e n ia reak cji c h a ra k te ry sty c z n y c h d la p ro c e s ó w sp a la n ia p a liw g a z o w y c h .

M o d e lo w a n ie m a te m a ty c z n e p ro c e s ó w sp a la n ia w a sp e k c ie p ro e k o lo g ic z n y m p o w in n o m ię d z y in n y m i u m o ż liw ić u z y sk a n ie w m ia rę p recy zy jn ej o d p o w ie d z i n a p y tan ie: ja k ie ilości tle n k ó w a z o tu p o w s ta ją w p ło m ie n ia c h w z a le ż n o śc i o d p a ra m e tró w p ro c e s u ? P o m im o w ielo letn iej tra d y c ji b a d a w c z e j w ty m zak resie, is tn ie ją c e ro z w ią z a n ia n ie z a w sz e p o tra fią o p isać o b s e rw o w a n ą rz e c z y w is to ść . S z c z e g ó ln e tru d n o śc i s tw a rz a m o d e lo w a n ie p ło m ien i w ę g lo w o d o ró w . P o d sta w o w e p ro b le m y to: u sta le n ie m e c h a n iz m u reak cji p o w sta w a n ia N O w raz z o d p o w ie d n im i w a rto ś c ia m i p a ra m e tró w k in e ty c z n y c h o ra z p re c y z y jn e o k reślen ie stężeń ro d n ik ó w , g łó w n ie O , H , O H i CH ,, k tó ry c h re a k c je p ro w a d z ą do tw o rz e n ia się N O .

W p ra c y w y ró ż n io n o p o ję c ia m e c h a n iz m ó w te rm ic z n y c h i p ło m ie n io w y c h tw o rz e n ia się N O , sto su jąc ró w n ie ż ró w n o w a ż n e o k reślen ia : tle n k i te rm ic z n e i tle n k i p ło m ien io w e.

M e c h a n iz m y te rm ic z n e z a w ie ra ją re a k c je , k tó re m o g ą p rz e b ie g a ć n ie z a le ż n ie o d p ro c e só w sp alan ia, n a p rz y k ła d w u k ła d z ie N2 + O2 + ciepło. W m e c h a n iz m a c h p ło m ie n io w y c h n a to m ia s t sy n te z a tle n k ó w az o tu za c h o d z i w re a k c ja c h z u d z ia łe m ro d n ik ó w i p o łą c z e ń p o w sta ją c y c h w p ro c e s ie u tle n ia n ia p a liw a : H , O H , N H , N N H , H C N , C H etc. W e d łu g ta k o k reślo n eg o p o d z ia łu do m e c h a n iz m ó w term ic z n y c h z a lic z y ć n a le ż y m e c h a n iz m Z e ld o w ic z a [39] o raz ro z s z e rz o n y m e c h a n iz m te rm ic z n y [4 0 ,4 1 ], z a ś d o m e c h a n iz m ó w p ło m ie n io w y c h - m e c h a n iz m F e n im o re g o [4 2 ], m e c h a n iz m N N H [43] o raz a n a liz o w a n e w d alszej części p ra c y sek w en cje re a k c ji N2O i N N H z ro d n ik a m i w ę g lo w o d o ro w y m i.

3.1. Mechanizm termiczny Zeldowicza

P ie rw sz e o b sz e rn e i sy ste m a ty c z n e b a d a n ia szy b k o ści tw o rz e n ia się tle n k ó w azo tu w p ro c e sa c h sp a la n ia p a liw g azo w y c h p rz e p ro w a d z ił p rzeszło p ó ł w ie k u te m u Z eld o w icz [39,44]. B ad acz te n w y k o n a ł serię ek sp e ry m e n tó w e k sp lo z y jn e g o sp alan ia m ieszan in H2/O2/N2 w zam k n iętej p rz e strz e n i, w zak resie te m p e ra tu ry 2 0 0 0 - 3 000K . A n a liz u ją c ich w y n ik i sfo rm u ło w a ł w n io se k o term ic z n y m c h arak terze tw o rz e n ia się N O p o d czas sp alan ia p a liw g a z o w y c h , n ie z a w ie ra ją c y c h ch e m ic z n ie z w iązan eg o azo tu . P o d s ta w ą je g o k o n cep cji by ło zało ż e n ie , że sy n te z a N O p rz e b ie g a n ie z a le ż n ie od reak cji c h e m ic z n y c h u tlen ian ia p a liw a , k tó re je s t je d y n ie ź ró d łe m c ie p ła d la e n d o te rm ic z n y c h reak cji p o m ięd zy tlen em i a z o te m z p o w ie trz a do sp alan ia. Z e ld o w ic z w y z n a c z y ł ró w n ie ż w arto ści efek ty w n ej stałej szy b k o ści re a k c ji g lo b aln ej

N 2 + 0 2 = > N 0 + N 0 ( R l)

o raz o k re ślił je j e n erg ię a k ty w a c ji n a p o z io m ie 5 4 0 .1 k J/m o l. Je d n o c z e śn ie stw ierd ził, że stała szy b k o ści ta k zap isan ej re a k c ji za le ż y n ie ty lk o o d tem p eratu ry , a le ró w n ie ż od k o n cen tracji m o le k u ł tlen u . P o d o b n ą z a le ż n o ść p o tw ie rd z ili G lick i in. [45] w w y n ik u b a d a ń szy b k o ści tw o rz e n ia się N O w m ie sz a n in a c h tle n u z a z o te m o raz w ty m sa m y m co Z e ld o w ic z zak resie te m p e ra tu r, p rz y u ż y c iu ru ry u d erzen io w ej.

P o ró w n a n ie w y n ik ó w e k sp e ry m e n tó w w ła sn y c h z ró w n a n ie m k in e ty c z n y m d rugiego rz ę d u d o p ro w a d z iło Z e ld o w ic z a do w n io sk u , że N O n ie m o ż e p o w sta w a ć w w y n ik u b e z p o śre d n ic h z d e rz e ń m o le k u ł N2 i O2. Z a p ro p o n o w a ł z a te m za stą p ie n ie re a k c ji ( R l) m e c h a n iz m e m z a w ie ra ją c y m d w ie re a k c je elem en tarn e:

N 2 + O => NO + N , (R 2)

N + 0 2 => NO + O. (R 3)

R e a k c ją k o n tro lu ją c ą sz y b k o ść p ro c e su je s t siln ie e n d o te rm ic z n a i z n aczn ie w o ln ie jsz a re a k c ja (R 2).

S zy b k o ść tw o rz e n ia się N O w w y n ik u m e c h a n iz m u Z e ld o w ic z a m o ż e b y ć z d u ż ą d o k ła d n o ś c ią o p is a n a ró w n a n ie m

(14)

^ ^ - « 2 k 2fC 0 C N2. (3.1)

Z a le ż n o ś ć j e s t s łu s z n a p rz y z a ło ż e n iu , ż e re a k c je (R 2 ) i (R 3 ) s ą d a le k ie o d sta n u ró w n o w ag i c h e m ic z n e j. W a ru n e k te n je s t sp e łn io n y w w ię k sz o śc i g a z o w y c h p ło m ie n i p rz e m y sło w y c h [7,11].

Z a sto s o w a n ie m e c h a n iz m u te rm ic z n e g o w m o d e lo w a n iu p ło m ie n i w y m a g a z n a jo m o śc i s tę ż e n ia a to m o w e g o tle n u w p rz e s trz e n i re a k cy jn ej. K la sy c z n y m e c h a n iz m Z e ld o w ic z a [39] z a k ła d a , że tle n a to m o w y p o c h o d z i z d y so cjacji te rm ic z n e j, ró w n o w ag o w ej tle n u c z ą ste c z k o w e g o 0 2 + M < = > 0 + 0 + M . Ł ą c z ą c w ó w c z a s ró w n a n ie (3 .1 ) z w y ra ż e n ie m n a s ta łą ró w n o w a g i c h em iczn ej tej reak cji

K = ^ - (3.2)

c o2

o trz y m u je się z a le ż n o ść

^ o * 2 k 2fK 1/2C N2C > « , (3.3)

z a p is y w a n ą c z ę sto w p o sta c i ró w n a n ia e m p iry c z n e g o [45]

~ 2 k C C1 / 2 n

^ ~ -i K lf '- 'N2'- '02 (y-4 )

z p o z o r n ą s ta łą k lf = k 2f K 1 /2 . S zy b k o ść tw o rz e n ia się N O je s t z a te m p ro p o rc jo n a ln a do stę ż e ń N2 w p ie rw sz e j p o tę d z e i stę ż e ń m o le k u ł tle n u w p o tę d z e /2. R ó w n a n ia (3 .3 ) i (3.4) m o g ą b y ć z p o w o d z e n ie m sto so w a n e do o b lic z a n ia stę ż e ń N O w g o rą c y m p o w ie trz u lub w y so k o te m p e ra tu ro w y c h g a z a c h sp a lin o w y c h . T u m s i M y h r [46] stw ie rd z ili z a d o w a la ją c ą p o p ra w n o ść z a ło ż e n ia ró w n o w a g i a to m ó w O i m o le k u ł O2 w p ło m ie n ia c h w ę g lo w o d o ró w o te m p e ra tu ra c h p rz e k ra c z a ją c y c h 2 0 5 0 K . W n iż s z y c h te m p e ra tu ra c h w a rto śc i o b lic z o n e leżały z n a c z n ie p o n iż e j w a rto ś c i w y z n a c z o n y c h ek sp e ry m e n ta ln ie .

W w ię k sz o ś c i p ło m ie n i p rz e m y sło w y c h , z w y ją tk ie m b a rd z o g o rą c y c h , g d zie d y so c ja c ja te rm ic z n a j e s t w y so k a , stę ż e n ia w o ln y c h ro d n ik ó w O , H , i O H p rz e w y ż s z a ją

stężen ia ró w n o w a g o w e , w y n ik a ją c e z te m p e ra tu ry i za w a rto śc i w g a z a c h trw a ły c h p ro d u k tó w reak cji [8 ,4 7 -4 9 ]. W y ż sz e o d ró w n o w a g o w y c h w arto ści stę ż e ń ato m o w eg o tlen u in te n sy fik u ją w sp o só b z n a c z ą c y szy b k o ść tw o rz e n ia się N O z a ró w n o w p ło m ien iu , j a k i w strefie p o p ło m ie n n ę j [1 8 ,5 0 -5 7 ].

O c e n a p o z io m u tzw . n a d ró w n o w a g o w y c h stężeń ro d n ik ó w stan o w i bodaj n a jp o w a ż n ie jsz y p ro b le m p rzy p o d e jm o w a n iu p ró b sfo rm u ło w a n ia u p ro sz c z o n y c h form uł o b liczeń szy b k o ści tw o rz e n ia się N O w p ło m ien iach . T h o m p so n i in. [52] stw ierd zili, że s tężen ia a to m o w eg o tle n u w b a d a n y c h p rz e z n ic h p ło m ie n ia c h m e ta n u b y ły 2 .4 -2 3 .5 razy w y ższe o d stę ż e ń w y n ik a ją c y c h z p o z y c ji ró w n o w a g i re a k c ji d y so c ja c ji term iczn ej O2, w zak resie te m p e ra tu ry 1 800-2000K . E n g le m a n i in. [53] ob liczy li d la w a ru n k ó w re a k to ra z id ealn y m m ie sz a n ie m re a g e n tó w stę ż e n ia 1 2 razy w y ż sz e o d ró w n o w a g o w y c h w p rz y p a d k u sp a la n ia w o d o ru i o k o ło 1 0 0 razy w y ższe w p rz y p a d k u p ro p an u , p rz y liczb ach n ad m iaru p o w ie trz a do sp a la n ia w ię k sz y c h od je d n o ś c i. D la liczb A.<1 o b liczo n e w arto ści m n o żn ik ó w b y ły n iż sz e i k sz ta łto w a ły się n a p o z io m ie 1.2 d la w o d o ru o raz o k o ło 50 d la p ro p an u . S arofim i P o h l [50] tw ie rd z ili, że o b se rw o w a n e szy b k o ści tw o rz e n ia się N O w b a d a n y c h p rz e z nich k in e ty c z n y c h p ło m ie n ia c h m eta n /p o w ie trz e m o g ą b y ć o d tw o rz o n e p rz e z reak cje Z e ld o w ic z a z w arto ściam i stężeń a to m ó w tle n u o k o ło 30 ra z y w ięk szy m i od ró w n o w ag o w y ch . F lam m e [18], a n alizu jąc te sam e w y n ik i e k sp ery m en tó w , stw ierd ził, że ty lk o ( 1 .8 - 5 ) razy w y ższe od ró w n o w a g o w y c h stę ż e n ia ato m o w eg o O w y s ta rc z a ją do w y ja śn ie n ia m ie rz o n y c h p o zio m ó w em isji N O . B u le w ic z i in. [8] w y k azali, że d la p ło m ie n i H2/O2/N2, p rz y X<1, sto su n ek Zo/zor n ie z a le ż y od lic z b y n a d m ia ru p o w ie trz a do sp a la n ia i m o ż e o siąg ać w a rto śc i o d ~ 1 . 0 n aw et do 1 0 3 i w ięcej, z a le ż n ie o d tem p eratu ry .

N a ry su n k u 3.1 p rz e d sta w io n o w y n ik i o b lic z e ń sto su n k u u d z ia łó w m o lo w y c h Zo/zor w g azach sp a lin o w y c h w z a le ż n o śc i o d te m p e ra tu ry d la iz o te rm ic z n y c h p ro c e s ó w sp alan ia m ie sz a n in m e ta n /p o w ie trz e p rz y X = 1 .1 . U d z ia ły zo o b liczan o z w ielo reak cy jn eg o m e c h a n iz m u sp a la n ia w e d łu g M ille ra i B o w m a n a [58], n a to m ia st zo , z w a ru n k u ró w n o w ag i reak cji d y so c ja c ji tle n u m o lek u larn eg o , p rz y ty m sam y m stę ż e n iu O2 w g azach sp alin o w y ch , 3 .5 % obj. R y su n e k p rz e d s ta w ia z ate m w sp o só b g raficzn y k ry te riu m tem p eratu ro w e sto so w aln o ści k lasy c z n e g o m e c h a n iz m u term ic z n e g o Z e ld o w ic z a w p ło m ien iach m etan /p o w ietrze. S to su n e k zo/zor o sią g a w a rto ść z b liż o n ą do je d n o ś c i d o p ie ro w tem p eratu rze o k o ło 2 5 0 0 K , p o d c z a s g d y w te m p e ra tu rz e 1 800K u d z ia ł m o lo w y a to m o w e g o tlen u w p ło m ie n iu p rz e k ra c z a u d z ia ł ró w n o w ag o w y o k o ło 2 50 razy.

(15)

1800 20 00 2200 2400 2600 T e m p eratu ra , K

Rys. 3.1. Stosunek udziału m olowego atom owego tlenu obliczonego z mechanizmu spalania [58] do udziału obliczonego z rów nania (3.2) w spalinach o zawartości O2 = 3.5% obj. podczas izoterm icznego spalania m ieszanin metan/powietrze przy X = l.lw zależności od temperatury Fig. 3.1. Values o f the ratio o f O atom m olar fraction in combustion gases ( 02 = 3.5% vol.) calculated from com bustion m echanism [58] and from equation (3.2) in function o f tem perature for m ethane/air m ixture, X = l.l

N ie k tó rz y b a d a c z e d o d a ją do d w u re a k c y jn e g o m e c h a n iz m u Z e ld o w ic z a re a k c ję a to m o w e g o a z o tu z g ru p ą w o d o ro tle n o w ą [42,59,60]

N + O H => N O + H , (R 4)

c h o c ia ż n ie m o ż n a je j za lic z y ć do re a k c ji c h a ra k te ry sty c z n y c h d la m e c h a n iz m u term iczn eg o . R e a k c ja n ie m o ż e b o w ie m p rz e b ie g a ć w u k ła d z ie N2 + 02 + ciep ło . W p ro c e s a c h sp a la n ia je j p rz e b ie g je s t p o w ią z a n y z re a k c ja m i u tle n ia n ia p a liw a , k tó re s ą ź ró d łe m ro d n ik a O H . W w a ru n k a c h n ie w ie lk ic h stę ż e ń N O w p ło m ie n iu re a k c ja (R 4 ) n ie w n o si d o d a tk o w e g o w k ład u w e fe k t g lo b a ln y re a k c ji (R 2 -R 4 ) [7]. N ie z a le ż n ie b o w ie m o d teg o , c z y re a k c ja je s t u w z g lę d n ia n a w o b lic z e n ia c h c z y n ie , sz y b k o ść tw o rz e n ia się N O je s t lim ito w a n a s z y b k o ś c ią p o w sta w a n ia a to m ó w a z o tu w z n a c z n ie w o ln iejszej re a k c ji (R 2). N ie m a p rz y ty m z n a c z e n ia , c z y a to m y te s ą dalej p rz e tw a rz a n e do N O w re a k c ji (R 3 ), c z y w re a k c ji (R 4 ). I ta k z k ażd ej m o le k u ły N2 p o w s ta ją d w ie c z ą ste c z k i N O . Z n a c z e n ie re a k c ji (R 4) m o ż e n a to m ia st

w zrastać w w a ru n k a c h w y so k ic h stę ż e ń N O , k ie d y d o m in u jący staje się je j k ieru n ek o d w ro tn y .

K in e ty k a re a k c ji w e d łu g m e c h a n iz m u Z e ld o w ic z a z o sta ła n a p rz e strz e n i w ie lu lat g ru n to w n ie p rze b a d a n a . P ie rw sz e w a rto śc i p a ra m e tró w k in e ty c z n y c h reak cji globalnej ( R l) o raz re a k c ji elem en tarn ej (R 2) w y z n a c z y ł j u ż Z e ld o w ic z [39]. W ciąg u n astę p n y c h 50 lat reak cje (R 2 ) i (R 3 ) b a d a n o p rz y u ży c iu ró ż n y c h m e to d p o m ia ro w y c h . E k sp ery m en ty p ro w ad zo n o g łó w n ie w d w ó ch za k re sa c h tem p eratu ry : p o w y żej 2 0 0 0 K [45 ,5 9 ,6 1 -6 6 ] o raz p o n iżej 1000K [67-78]. M niej je s t n a to m ia st in fo rm ac ji n a te m a t b ad a ń w y k o n y w a n y c h w zak resie śre d n ic h te m p e ra tu r [4 0 ,4 1 ,7 9 ,8 0 ]. W b a d a n ia c h w y so k o te m p e ra tu ro w y c h n ajczęściej sto so w an o te c h n ik i p o m ia ro w e z u ży cie m ru r u d e rzen io w y ch . W ek sp ery m en tach p ro w a d z o n y c h w te m p e ra tu ra c h p o n iżej 1000K b ad an o n ajcz ęściej szy b k o ści reak cji w o ln y ch ato m ó w N z c z ą ste c z k a m i 02 lu b N O w re a k to ra c h p rz e p ły w o w y c h . W o ln e ato m y azo tu u zy sk iw an o z w y k le w w y n ik u w y ła d o w a ń ele k try c z n y c h w azo cie atm o sfery czn y m .

G lic k i in. [45] b a d a li szy b k o ść tw o rz e n ia się i ro z p a d u N O w ru rze u d erzen io w ej, w zak resie te m p e ra tu ry 2 0 0 0 -3 0 0 0 K . W aru n k i reak cji o k reślali n a p o d sta w ie zn ajo m o ści stanu p o c z ą tk o w e g o re a g e n tó w i szy b k o ści fali u d e rz e n io w e j, p rz y z a ło ż e n iu p o m ija ln ie m ałego czasu d o c h o d z e n ia do sta n u ró w n o w a g i term iczn ej. W ek sp e ry m e n ta c h sto so w ali p o w ietrze atm o sfery czn e, m ie sz a n in y p o w ie trz a z a rg o n e m i k ry p to n e m o raz m ie sz a n in y tle n u i azo tu o ró żn y ch u d z ia ła c h o b ję to śc io w y c h . W y z n a c z y li w arto ści po zo rn ej stałej szy b k o ści reakcji globalnej ( R l ) w k ie ru n k u ro z p a d u N O o ra z stw ierd zili, że s ą o n e p ro p o rc jo n a ln e do p ie rw ia stk a k w a d ra to w e g o ze stę ż e n ia m o le k u la rn e g o tlen u . P o tw ie rd z ili ró w n ie ż słu szn o ść m e c h a n iz m u Z e ld o w ic z a w b a d an y m z a k re sie tem p eratu ry .

D u ff i D a v id so n [62] o p raco w ali te o re ty c z n ie w y n ik i ek sp e ry m e n tó w G lic k a i in. [45]

i n a tej p o d sta w ie w y z n a c z y li s ta łą szy b k o ści k 2f reak cji (R 2). Je d n o c z e śn ie , n a po d staw ie p ro g ra m u u m o ż liw ia ją c e g o o b lic z a n ie w a rto śc i k o n c e n tra c ji re a g e n tó w z a s iln ą fa lą u d e rz e n io w ą w p o w ie trz u stw ierd zili, ż e w a rto śc i k 2f p o w in n y b y ć o 3 5% w y ż sz e o d tych, które b y ły o b lic z a n e b e z p o śre d n io z d a n y c h G lic k a i in. [45]. S u g estię D u ffa i D av id so n a [62]

p o tw ie rd z ili W ra y i T eare [63] n a p o d sta w ie w y n ik ó w e k sp e ry m e n tó w d la p o w ie trz a atm o sfery czn eg o o ra z m ie sz a n in N O / 02/p o w ie trz e /A r w ru rze u d e rz e n io w e j, w zak resie tem p eratu ry 3 0 0 0 -8 0 0 0 K .

H arteck i D o n d e s [67], K istia k o v sk y i V o lp i [6 8 ,8 1 ], V erb ek e i W in k le r [69], C lyne i T h ru sh [7 0 ,7 1 ], P h ilip s i S h iff [74], L in i in. [77], C lyne i M c D e rm id [82], L ee i in. [83],

Rola podtlenku azotu w modelowaniu emisji NO z procesów spalania paliw gazowych w piecach wysokotemperaturowych

NAUKOWE

POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ

. rb rb S t > f o s

Bogusław GRADON i

ROLA PODTLENKU AZOTU W MODELOWANIU EMISJI NO

Z PROCESÓW SPALANIA PALIW GAZOWYCH W PIECACH WYSOKOTEMPERATUROWYCH

HUTNICTWO

z. 67

GLIWICE 2003

ZESZYTY NAUKOWE Nr 1568

^ 2 > 5 d j 0

Bogusław GRADON

ROLA PODTLENKU AZOTU W MODELOWANIU EMISJI NO

Z PROCESÓW SPALANIA PALIW GAZOWYCH W PIECACH WYSOKOTEMPERATUROWYCH

GLIWICE 2003

CONTENTS

WYKAZ W AŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

1. WSTĘP

2. EMISJE TLENKÓW AZOTU Z PRZEMYSŁOWYCH KOMÓR SPALANIA

2 Wentylator

Pow. W

Gaz

Pow. W',

/

c Recyrkulowane spalmy Pow.

I— Ptomień

c

Pow.

V

Recyrkulowane spaliny

Ptomień dtugi

a ./« ,.__

Recyrkulowane spaliny

Ptomień plaski Silnie zawirowany

Pow.

Gaz

&

Spaliny j—

-- J

C □ □ □ □

□ □□ L.

z

Spaliny

f

550 650 750 850 950

3. MECHANIZMY POWSTAWANIA TLENKÓW AZOTU W PŁOMIENIACH PALIW GAZOWYCH

3.1. Mechanizm termiczny Zeldowicza

^ ^ - « 2 k 2fC 0 C N2. (3.1)

K = ^ - (3.2)

^ o * 2 k 2fK 1/2C N2C > « , (3.3)

1800 20 00 2200 2400 2600 T e m p eratu ra , K

^ 2 > 5 ^d ^{j 0}