ZESZYTY NAUKOWE PO LITECH NIKI ŚLĄ SKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 125
1995 N r kol. 1280
R yszard WILK, Andrzej SZLĘK, Zygm unt ZIELIŃSK I I n ty tu t Techniki Cieplnej, Politechnika Ś ląska
OGRANICZENIE E M ISJI TLENKU AZOTU
I WIELOPIERŚCIENIOWYCH WĘGLOWODORÓW AROMATYCZNYCH PODCZAS SPALANIA OLEJU
S treszczen ie. Przedstaw iono b a d a n ia n a d zm niejszeniem emisji NOx i WWA pow stających podczas sp alan ia oleju opałowego. Przy dwu- frakcyjnym rozpylaniu większe krople gen erują redukcyjne składniki poza strefą głównego spalan ia, k tó re obniżają koncetrację NOx o 20 h- 40%. Zmniejszenie koncentracji WWA uzyskano przez optymalizację ilości powietrza sp a la n ia (X = 1,3 1,4), m inim alizację czasu pobytu w strefie reakcji oraz ograniczenie zaw artości węglowodorów arom atycz
nych w oleju (< 22%). Wpływ dodatków (Si, Cr, V) n a emisję WWA był niejednoznaczny.
TH E ABATEMENT OF THE N O x A N D PA H EM ISSIO N DURING OIL COMBUSTION
S u m m a ry . The investigations of th e ab atem en t of th e NOx and PAH emission were carried out in th e course of oil combustion. Due to th e bi-fractional atom ization of oil th e large droplets have created th e reducing agents beyond th e m ain combustion zone. It caused the NOx decrease by 20 + 40%. The ab ate m e n t of PAH concentration h a s been m ade by the optim isation of am o u n t of com bustion a ir (X = 1,3 + 1,4), reduction of residance tim e and of content of arom atic hydrocarbons in oil (< 22%). The influence of additives (Si, Cr, V) on th e PAH emission occured to be unexplicid.
BEGRENZUNG D ER EM ISSIO N VON STICKSTOFFOXID UND AROMATISCHEN M EHRZYKLISCHEN KOHLEW ASSERSTOFFEN W ÄHREND DER ÖL-VERBRENNUNG
Z u sam m en fassung. Die E rgebnisse von F orschungsarbeiten auf dem Gebiet einer E m issionsverm inderung der enstan den en NOx und MKW whrend d er öl-V erbrennung w urd en dargestellt. In der zwei- Fraktionen öl-Zerstäubung grössere Tropfen w erden reduktive Be
284 R yszard W ilk, A ndrzej Szlęk, Zygm unt Zieliński
stan dteile h in te r der Zone der H au p tv erbren nu ng erzeugt, die eine NOx - K onzentration um 20 + 40% verm indern w erden können. Eine M inderung von MKW w urde durch eine O ptim ierung der Verbren
nungsluftm enge (X = 1,3 - 1,4), bei M inim alisierung einer Verweilzeit in der Reaktionszone und die B egrenzung von Kohlewasserstoffen im öl (< 22%) erreicht. Der Einfluß von Zusatzstoffen (Si, Cr, V) auf die Em ission von MKW w ar uneindeutig.
1. W STĘP
Spalanie paliw je s t główną przyczyną zanieczyszczenia atm osfery. W trak
cie tego procesu może powstawać ok. 70 rodzajów szkodliwych substancji.
W w yrażeniu ilościowym procesy sp alan ia em itują ok. 70% całkowitej ilości NOx i S 0 2, ok. 60% ilości CO i ok. 55% ilości pyłów [4], Obecność szkodliwych substancji w spalinach spowodowana je s t różnorodnym i przyczynami. Takie substancje ja k dw utlenek węgla, dw utlenek siarki, paliwowe tlenki azotu, p ary m etali ciężkich, tlenki m etali, dioksyny, furany, lotny popiół i żużel w ynikają z faktu, że źródłowe dla nich pierw iastki są konstutyw nym i składni
kam i paliwa, które w trakcie u tle n ia n ia p rzekształcają się w ww. szkodliwe związki. Tlenek węgla, sadza, koksik i w szystkie rodzaje węglowodorów są efektem procesów niezupełnego i niecałkowitego spalania. N atom iast termicz
ny tlen ek azotu powstaje w wysokich tem p e ra tu ra c h (1650 K) płomienia w skutek u tle n ia n ia azotu powietrznego [2]. Istnieją również szkodliwe sub
stancje, które są rezultatem chemicznych lub fotochemicznych reakcji prze
biegających w atm osferze pomiędzy pierw otnym i substancjam i szkodliwymi.
Są to tzw. w tórne szkodliwe substancje i n ależą do nich dw utlenek azotu, którego ilość w pierwotnej emisji je s t bardzo m ała, ozon i nadtlenek azotowo- acytylenowy (PAN). D w utlenek węgla, tró jtlen ek siark i i tlenek węgla należą zarówno do pierwotnych, ja k i w tórnych szkodliwych substancji [2].
Tlenki azotu i wielopierścieniowe węglowodory arom atyczne (WWA) są jednym i z najbardziej szkodliwych zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery z procesów spalania. Np. benzo(a)piren (BaP, C20H 12), który je s t jednym z najw ażniejszych WWA, ch arakteryzuje się bardzo dużym współczynnikiem toksyczności wynoszącym 6253 [1]. K oncentracja WWA (BaP) w typowych spalinach ze spalan ia paliw organicznych je s t n a ogół m ała w porównaniu z koncetracją NOx, któ ra je s t o 2 - 3 rzędy w iększa. M iarą szkodliwości danej substancji powinien być jed n a k iloczyn koncentracji i współczynnika toksycz
ności i wg tego kryterium szkodliwości NOx i WWA są tego samego, wysokiego rzędu.
W w yniku szeregu prac badawczych opracowano wiele technologii zmniej
szania koncentracji NOx w spalinach, które um ownie można podzielić na pierw otne i w tórne m etody redukcji emisji NOx. M etody pierw otne polegają n a bezpośrednim oddziaływ aniu n a proces sp alan ia w obrębie komory spala
O g ra nicze nie em isji tlenku azotu. 285
nia. W szystkie te działania m ożna pogrupować w pięć obszarów, których efekty redukcyjne są przedstawione w tablicy 1 [4]. M etody pierw otne są dosyć często stosowane ze względu n a k orzystny stosunek stopnia redukcji do kosztów redukcji. Natom iast ich podstaw ow ą w adą je s t konieczność stosowa
n ia skomplikowanego systemu kontroli i sterow ania procesem spalan ia oraz praw dopodobieństwo zwiększonej em isji CO, sadzy i węglowodorów, w tym WWA. M etody w tórne polegają głównie n a katalitycznym (SCR) lub niekatali- tycznym (SNCR) oddziaływaniu n a spaliny poza kom orą paleniskow ą. Są to raczej drogie m etody i w związku z tym rzadko stosow ane [4].
T a b lic a 1 S p o s o b y r e d u k c ji k o n c e n tr a c ji N O x o r a z e f e k t y r e d u k c ji.* o d p o w ia d a p a ln ik o w i
H ita ch i N r 3, b e z s y s t e m u O F A
Sposób
Efekt redukcji, % Paliwo
gaz olej lekki/ciężki węgiel
Recyrkulacja spalin 20-70 20-60/10-35 5-10
Palniki niskoemisyjne 20-40 20-40/10-30 10-60/80*
Stopniowanie powietrza 10-30 10-40/10-40 10-50
Zmniejszenie temperatury spalania 10-60 10-60/10-30 -
Użycie gazu redukcyjnego 30-50 30-50/30-50 30-50
M echanizm y powstawania WWA oraz m etody zm niejszania ich koncentra
cji w spalinach są dotychczas słabo rozpoznane. Dotyczy to zarówno metodyki b a d a ń eksperym entalnych, ja k i teoretycznego m odelowania. Np. główne pro
blem y pomiarowe wynikają z potrzeby opracow ania wiarygodnej techniki poboru reprezentatyw nej próbki gazów płomieniowych. Z drugiej strony pod
staw owym teoretycznym zadaniem je s t opracow anie fizykalnego m odelu po
w staw an ia i u tlen ian ia WWA w trak cie spalan ia. Obecnie najczęściej przyj
m uje się hipotezę, że formowanie BaP, a n astęp n ie sadzy, je s t kontrolowane przez lokalną koncentrację C2H 2 w płom ieniu [3]. Inny p u n k t widzenia przyj
m uje, że em isja WWA je st rezultatem łączenia lub przekształcania się węglo
wodorów paliwowych (w tym arom atycznych) albo efektem niezupełnego i niecałkowitego u tlen ian ia przy częściowej obecności tle n u [11]. Tymczasem w iedza o m echanizm ach tworzenia WWA je s t niezbędna dla opracowania skutecznej m etody redukcji emisji WWA.
Lekki olej opałowy niskosiarkow y odgrywa coraz poważniejszą rolę jako paliwo dla m ałych i średnich kotłowni. Dlatego podjęto badania n a d ekologicz
nym i aspektam i spalan ia tego typu paliw a. W niniejszym arty ku le p rzed sta
wiono wyniki teoretyczno-eksperym entalnych bad ań nad zm niejszaniem em i
sji NO i WWA przy spalaniu tego oleju.
286 R yszard W ilk, Andrzej Szlęk, Zygm unt Zieliński
2. BADANIA NAD ZM NIEJSZENIEM E M ISJI TLENKU AZOTU
Isto tą prezentow anej m etody je s t tak ie rozpylanie oleju, aby stru ga kropel skład ała się z dużej liczby m ałych kropel oraz z niewielkiej liczby dużych kropel [6, 9]. Małe krople sk upiają zasadniczą część substancji oleju, a zatem ich czas spalan ia decyduje o długości podstawowej strefy spalania. Za tą strefą, gdzie w skutek odpływu ciepła te m p e ra tu ra płom ienia je st niższa, wolniej parujące większe krople w ytw arzają redukcyjne składniki umożliwia
jące przekształcanie NO w cząsteczkowy azot N 2. Aby udowodnić powyższą tezę, przeprowadzono eksperym entalno-teoretyczne badania.
2.1. T e o r e ty c z n y m od el
Porównuje się dwa przypadki: „1”, gdzie rozpylanie oleju je s t monofrakcyj- ne, a wszystkie krople m ają średnicę d = 20 pm oraz „2”, gdzie rozpylanie oleju je s t dw ufrakcyjne, tzn. 90% substancji kropel m a średnicę d90 = 20 pm, a 10%
substancji kropel m a średnicę d 10 = 50 pm. Założenia m odelu są następujące [5,10]:
1. Ze względu n a dużą turbulencję (Re = 25000 - 30000) prędkości fazy gazowej i kropel są równe.
2. Szybkość sp alania kropel je s t opisana rów naniem parow ania:
d = Vdn - k x
3. P a ry oleju przed zapłonem podlegają term icznem u rozkładowi, w wyniku którego pali się m ieszanina CH4, C2H 2 i HCN.
4. D any je s t rozkład tem p e ra tu ry i prędkość wzdłuż płom ienia ja k n a rys. 1.
5. Przepływ gazów w reaktorze je s t jednowymiarowy, osiowo-symetryczny.
Rozważono 256 reakcji chemicznych i dla każdego rodnika lub chemicznego skład nika m ożna napisać następujące rów nanie [5]:
ą ę i
r = 1
ArfTBrf exp - E
rf
R„T
numl(r)
r U k k = 1
ArbT B* exp -E
rb
R„T
numr(r) k = 1
Avi,
W arunki brzegowe są następujące:
Cq2 = 0,21po/RuT; CN2 = 0,79p(/RuT; Cj. ^ ^ = 0; k = 1,65 mm2/s; n = 0,5%.
W yniki obliczeń koncentracji NO wzdłuż płom ienia przedstaw iono n a rys. 2 dla ww. dwóch przypadków rozpylania. L inią ciągłą oznaczono przypadek „1”
(monofrakcja), linią przeryw aną oznaczono przypadek „2” (rozpylanie dwufra
kcyjne). Analiza tych wyników wskazuje n a następujące prawidłowości:
1. Zasadnicza część NO w obydwu przypadkach rozpylania powstaje w pło
m ieniu w tej samej odległości od palnika.
O graniczenie em isji tlenku azotu. 287
2000 10.0
. 1 2 0 0
W
E-H 800 1600
4 0 0
0
0.0
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40
L, m
Rys. 1. Rozkład te m p e ra tu ry i prędkości w zdłuz płom ienia, X = 1,2, a = 0, Q = 50 kW Fig. 1. T em peraturę an d velocity along th e flam e, X = 1.3, a = 0, Q = 50 kW
2. W przypadku dwufrakcyjnego rozpylania m a m iejsce zmniejszenie się kon
centracji NO przy końcu płom ienia. Ten spad ek w ystępuje w obszarze spalania dużych kropel, gdzie obecne są składniki redukcyjne (CO, CH; i inne), które w iążą tle n z NO powodując spadek koncentracji tlen ku azotu, a wzrost koncentracji azotu cząsteczkowego.
2.2. E k sp er y m e n ta ln a w e r y fik a c ja m o d e lu
E ksperym entalną weryfikację zaprezentow anej m etody przeprowadzono n a stanow isku badawczym, którego schem at je s t przedstaw iony na ry su n k u 3. W badaniach zastosowano lekki olej opałowy o składzie ja k w tablicy 2, w którym azot paliwowy modelowano za pomocą pirydyny (C5H 5N). Zastoso
w ano palnik z dyszą rozpylającą Danfoss o wydajności 3 - 4 kg/h. Użyto dwóch rodzajów powietrza. Pierw otne pow ietrze, sprężone (0,2 MPa), kształtow ało m ik ro stru k tu rę strugi i jego ilość zm ieniała się w granicach a = 0 - 0,8 kg/kg.
S tru m ień tego pow ietrza nie przekraczał 5% stru m ie n ia całkowitego powie
trz a spalania. Pow ietrze w tórne, w entylatorow e (2 kPa), doprowadzane było zew nętrznym kan ałem pierścieniowym. Wpływ ilości pierwotnego powietrza n a rozkład wymiarów kropel przedstaw iono n a ry su n k u 4. Ilość powietrza w tórnego nie m iała wpływu n a m ik ro stru k tu rę strugi. N a rys. 4a je s t widocz-
288 R yszard W ilk, A ndrzej Szlęk, Zygm unt Zieliński
800
L, m
Rys. 2. Koncentracja NO wzdłuż płomienia: „1” - rozpylanie monofrakcyjne, „2” - rozpyla
nie dwufrakcyjne, X = 1,2, a = 0,25, n = 0,5%, Q = 50 kW, ■ □ pomiary Fig. 2. NOx concentration along the flame: „1” - monofractional atomization, „2” - bi-frac-
tional atomization, X = 1.2, a = 0.25, n = 0.5%, Q = 50 kW, ■ □ measurements
ne, że w zakresie a = 0 - 0,3 kg/kg śred n ia średnica kropel rośnie, a w następnym zakresie ilości pierwotnego pow ietrza (a = 0,3 - 0,8) średnica kropel maleje. W ypływająca stru g a pierwotnego pow ietrza początkowo (a) blokuje strugę kropel powodując ich koagulację i wzrost średniej średnicy.
Przy dalszym wzroście ilości rozpylającego pow ietrza (a = 0,3 - 0,8) energia kinetyczna strug i pierwotnego pow ietrza je s t n a tyle duża, że ujaw nia się wpływ wtórnego rozkładu kropel, co powoduje, że średnica kropel maleje. Przy a = 0,8 istnieje w yraźnie widoczny (rys. 4b) dwuwierzchołkowy rozkład wy
m iarów kropel, co w przybliżeniu odpowiada dw ufrakcyjnem u rozpylaniu (teoretyczny przypadek „2”). Bez pow ietrza rozpylającego (a = 0,0) gęstość rozkładu wym iarów kropel m a jedno m aksim um , co odpowiada w przybliżeniu teoretycznem u przypadkowi, „1” tzn. stru dze monofrakcyjnej.
O graniczenie em isji tlenku azotu. 289
Rys. 3. Schem at stanow iska pomiarowego: 1 - płom ień, 2 - kom ora spalania, 3 - palnik, 4 - zbiornik oleju, 5 - pom pa, 6 - sp ręż ark a pierw otnego pow ietrza, 7 - w entylator wtórnego
powietrza, 8 - pobór próbek do analiz
Fig. 3. Scheme of te ste d stand: 1 - flam e, 2 - com bustion cham ber, 3 - burner, 4 - oil tank, 5 - pump, 6 - p rim ary air compressor, 7 - van air, 8 - NOx and PAH probe
W yniki pomiarów emisji NO przedstaw iono n a rysunkach 2 i 5. N a ry su n k u 2 obok emisji obliczeniowej NO przedstaw iono zm ierzoną emisję NO, ozna
czoną n a rysunku k w adratam i, dla przypadku „1” (monofrakcja) oraz dla p rzypadk u „2” (rozpylanie dwuwierzchołkowe). B ad an ia eksperym entalne po
tw ierd zają tezę, że przy dw ufrakcyjnym rozpylaniu większe krople zachowują
290 R yszard W ilk, A ndrzej Szlęk, Zygm unt Zieliński
T ablica 2 W ła ś c iw o ś c i le k k ie g o o le j u o p a ło w e g o
Wielkość Je d n o stk a Wartość
W artość opałowa M J/kg 42.2
Gęstość, 20°C kg/m3 862
D ynam iczny współczynnik lepkości kg/ms 0,003
T em p eratu ra zapłonu M arcusona °C 86
T em p eratu ra sam ozapłonu °C 380
Prędkość spalania m m 2/s 1,51
A naliza pierw iastkow a:
c 86,44
h % 12,56
s 0,31
n 0,00083
0 0,8017
Zawartość:
węglowodorów nasyconych
% 72,7
węglowodorów arom atycznych 26,9
olefin 0,4
a, kg/kg d, fim
Rys. 4. Wpływ ilości pierwotnego pow ietrza n a m ik ro stru k tu rę stru g i kropel: „a” - średnia średnica kropel, „b” - rozkład m asy kropel w funkcji średnicy kropli
Fig. 4. The influence of prim ary a ir on th e m icrostructure of th e strea m of droplets:
a - m ean droplet diam eter, b - m ass distrib u tio n of droplets
O g ra n icze n ie emisji tlenku azotu. 291
się ja k paliwo redukcyjne [5], gdyż em isja NO po osiągnięciu m aksim um w zasadniczej strefie spalan ia m aleje wzdłuż płom ienia osiągając m inim um na końcu płomienia. Z ry su nku 5 wynika, że koncentracja NO osiąga m inim um p rzy ilości powietrza pierwotnego odpowiadającej w artości p a ra m etru a = 0,25. Jednakże wówczas koncentracje tle n k u w ęgla i WWA osiągają n iestety duże wartości. N a przykład k oncentracja CO przekracza w artość 200 ppm.
W zrost ilości pierwotnego pow ietrza do w artości a = 0,8 powoduje spadek k oncentracji CO poniżej 50 ppm, lecz tak że n iestety niew ielki wzrost koncen
tra c ji NO. Pomimo to em isja NO je s t w yraźnie m niejsza (o ok. 20 - 40%) w porów naniu z przypadkiem „1”, tj. przy rozpylaniu w przybliżeniu monofra-
800
a, kg/kg
Rys. 5. Emisja NO w funkcji ilości pierwotnego powietrza: Q=50 kW, X = 1,2 Fig. 5. NO emission as a function of the amount of primary air: Q=50 kW, X = 1.2
2 9 2 R yszard W ilk, Andrzej Szlęk, Zygm unt Zieliński
kcyjnym (a = 0,0). Należy podkreślić, że ta redukcja koncentracji NO nie jest spowodowana stopniow aniem pow ietrza do sp alan ia ze względu n a dwa fakty:
1) otwory wylotowe oleju, pow ietrza pierwotnego i pow ietrza wtórnego są usytuow ane w tym sam ym przekroju wylotowym palnika,
2) ilość pierwotnego pow ietrza nie przekraczała we względnym ujęciu 5%.
W palnikach ze stopniowaniem pow ietrza ilość pow ietrza pierwotnego wy
nosi ok. 20%.
3. BADANIA NAD OGRANICZENIEM E M ISJI WWA
B ad an ia eksperym entalne n ad opracowaniem m etod redukcji emisji WWA przeprowadzono n a stanow isku pomiarowym przedstaw ionym n a rysunku 1.
Zgodnie z zaleceniem WHO w ykonano pom iary koncentracji dla sześciu WWA, tzn. BaP, BbF, BkF, FLU, PIR oraz sum y B(ghi)P+IND. Badania te dotyczyły określenia wpływu ilości pow ietrza spalania, ilości pierwotnego powietrza, cieplnej mocy płom ienia, zaw artości arom atycznych węglowodo
rów w oleju oraz rodzaju dodatków (Cr, Si. V). Rysunki 6, 7, 8 i 9 przedstawia
ją wyniki b a d ań n a przykładzie B aP i sum y ww. WWA. A naliza tych wyników prowadzi do następujących spostrzeżeń:
1) Em isja WWA i B aP osiąga m inim um przy stosunku X = 1,3 - 1,4 (rys .6).
Dla X < 1,3 lokalna koncentracja tle n u je s t zbyt niska, aby spalanie węglowodorów było zupełne i całkowite, mimo że te m p e ra tu ra w płomieniu je s t odpowiednia. W p rzypadku X > 1,4 n a d m ia r pow ietrza je s t zbyt duży, co powoduje spadek tem p e ra tu ry w płom ieniu, w skutek którego następuje przeryw anie łańcucha reakcji u tle n ia n ia węglowodorów [7].
2) Z bad ań n ad m ik ro stru k tu rą strugi wynika, że ilość pierwotnego powietrza m a istotn y wpływ n a rozkład wym iarów kropel (punkt 2). W przypadku emisji WWA wpływ te n je s t mniej wyraźny, jed n a k z pewnym przybliże
niem m ożna stwierdzić, że przy a = 0,8 em isja WWA i B aP je s t minimalna (rys. 6). W ynika to z faktu, że wówczas średnia średnica kropel osiąga m inim um (rys. 4a), co sprzyja zupełnem u i całkow item u spalaniu [8], 3) M niejsze w artości mocy cieplnej płom ienia sprzyjają niższej emisji WWA i
B aP (rys. 7). M niejsza ilość spalin wym aga mniejszej prędkości przepływu gazów przez komorę paleniskow ą, co w ydłuża czas pobytu reagentów.
Sprzyja to pełniejszem u dopalaniu węglowodorów.
4) B adania wpływu zaw artości arom atycznych węglowodorów w oleju (rys. 8) przeprowadzono stosując jako paliwo m ieszaninę badanego oleju (tabl. 2) z n a ftą oświetleniow ą (15% arom atycznych węglowodorów) lub z benzenen (100% arom atycznych węglowodorów). O trzym ane wyniki w skazują na istotny w zrost koncentracji WWA i B aP przy zaw artości aromatycznych węglowodorów powyżej 22%.
O g ra nicze nie emisji tlenku azotu. 293
A
Rys. 6. E m isja WWA i B aP w zależności od ilości i rozdziału pow ietrza, Q = 36 kW, O, a = 0,0, 0, a = 0,25, x, a = 0,8
Fig. 6. PAH and BaP em ission as a function of th e am ount an d split of air, Q = 36 kW,
□ , a = 0,0, 0, a = 0,25, x, a = 0,8
60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10
5 4 3 2
1 0
7. E]
7.1
R yszard W ilk, A ndrzej Szlęk, Zygm unt Zieliński
X
¡a WWA i B aP dla dwóch mocy cieplnych płom ienia, a = O, □, 50 kW, A, 36 kW I an d B aP em ission for two value of th e h e a t pow er of flam e, a = 0, □, 50 kW,
A, 36 kW
W W A , B aP , ¡ag , 0 2=3 %
O g ra n ic z e n ie emisji tlenku azotu. 295
5) B ad an ia wpływu dodatków (Si, Cr, V) w ilości 0,1 g/l ol. nie upoważniają, n a obecnym etapie badań, do staw ian ia jednoznacznych wniosków.
W praw dzie ok. dw ukrotnie m aleje em isja B aP przy zastosow aniu Si i Cr, je d n a k w przypadku innych węglowodorów em isja znacznie silniej rośnie ta k , że ostatecznie em isja sum y WWA dla w szystkich trzech dodatków przew yższa emisję dla czystego oleju. Kom pleksowa analiza oddziaływania dodatków powinna uw zględniać fakt, że sam e dodatki (lub ich pochodne) m ogą również negatyw nie oddziaływać n a środowisko.
Rys. 8. Em isja WWA i B aP w zależności od zaw artości arom atycznych węglowodorów, Q = 50 kW, a = 0, X = 1,2, □ , WWA, A, BaP
Fig. 8. PAH and BaP em ission as a function of th e content of arom atic hydrocarbons, Q = 50 kW, a = 0, X = 1.2, □ , WWA, A, BaP
296 R yszard W ilk, A ndrzej Szlęk, Zygm unt Zieliński
Końcowa koncentracja WWA je s t efektem różnicy wydajności chemicznych reakcji łączenia paliwowych węglowodorów oraz u tle n ia n ia powstałych wcześ
niej WWA. Przyjm uje się, że obie reakcje są drugiego rzędu. W wyniku powyższego rozum ow ania zależność n a końcową koncentrację B aP jest nastę- p u ją c a fll]:
B a P ~ <
x = 0 JL,
J
A 1 exp - E i
R„T ^ p a r A9 e x p
-Eo
R„T '-''pow ^p arc c
W* d x
W W A 35 H bg/m „3,
Oz=3%
30 H
2 5 -
2 0-
1 5 -
1 0-
5 -
B(ghi)P
+IND WWA
Rys. 9. Wpływ dodatków n a em isję WWA, Q = 50 kW, X = 1,3, a = 0%
Fig. 9. The influence of additions on PAH em issions, Q = 50kW, X = 1.2, a = 0%
O g ra nicze nie em isji tlenku azotu. 297
D la danej prędkości i tem p e ra tu ry (rys. 1) oraz przy następujących w aru n k ach brzegowych: CBaP = 0, Cpar = 0, Cpow > 0 powyższe rów nanie zostało rozw iązane. Otrzymano zbiór Cgap będących funkcją współczynników rów na
n ia A rrh en iu sa Aj, Ej, A2, E2. Z drugiej strony znane są z pom iarów wartości końcowe koncentracji (rys. 6), co um ożliw ia dobór liczbowych wartości tych współczynników: Aj = 1,79 • 106 m 3/kg ■ s, E j = 79,5 MJ/kmol, A2 = 2,5 ■ 105 m 3/kg ■ s, E2 = 49 M J/kmol. O trzym ane w tych obliczeniach wartości liczbowe energii aktywacji leżą w granicach przyjętych jako dopuszczalne, k tórym i są reakcja łączenia C2H 2 z rodnikiem C6H 5 (E* = 20,2 MJ/kmol) i reakcja pirolizy aromatycznych węglowodorów (E = 250 MJ/kmol) [11].
4. PODSUMOWANIE
N iniejsze b adania miały n a celu zaprezentow anie nowej metody redukcji em isji N O x podczas strugowego sp alan ia oleju. W ykazano, że wykorzystując odpowiednio spreparow aną stru g ę kropel możliwe je s t zm niejszenie koncen
tra c ji N O x o 20 - 40%. M etoda ta polegała n a dw ufrakcyjnym rozpylaniu w sk u te k czego duże krople oddziałują redukcyjnie n a NO powodując przejście zw iązanego azotu w azot cząsteczkowy, N2. Proponow aną m etodę redukcji NOx należy traktow ać jako uzupełnienie istniejących i spraw dzonych pierw ot
nych m etod redukcji emisji NOx w procesach spalan ia paliw. Ograniczeniem tej m etody je s t prawdopodobieństwo niezupełnego i niecałkowitego spalania w yrażające się zwiększoną em isją CO i WWA.
Przy przyjęciu jako celu m inim alizacji emisji WWA optym alne wartości sto su n k u n a d m iaru powietrza w ynoszą 1,3 - 1,4 przy względnej ilości pier
wotnego pow ietrza 0,8 kg/kg ol. Innym sposobem ograniczenia emisji WWA je s t używ anie oleju o małej zaw artości arom atycznych węglowodorów nie przekraczającej 22% oraz stosow anie m ałych cieplnych obciążeń komór spala
nia. Stosowanie dodatków powinno być poprzedzone kom leksową analizą ich w pływ u n a środowisko.
OZNACZENIA
C - koncentracja, kg/m 3, km ol/m 3
A, B, E - współczynniki rów nania A rrh en iu sa i en ergia aktywacji, kJ/km ol T, w, L - tem peratura, K, prędkość w osi płomienia, m/s, długość płomienia,m
Po, T0 — ciśnienie początkowe (0,1 MPa), te m p e ra tu ra początkowa (273 K)
x, d, k - czas spalania, s, średnica kropli, mm, sta ła sp alania kropli, m m 2/s
n , ga udział azotu w oleju, %, zaw artość arom atycznych węglo
wodorów w oleju, %
298 R yszard W ilk, A ndrzej Szlęk, Zygm unt Zieliński
Q — moc cieplna płomienia, kW
a = Gpow/G0 - stosunek stru m ien ia pierwotnego pow ietrza do strumienia oleju, kg pow/kg ol
X - stosunek n a d m iaru pow ietrza
Av; k - p rzyrost ilości i-tego zw iązku w k-ej reakcji
BaP, BbF, BkF, FLU, PIR, BghiP+IND, WWA - koncentracje odpowiednio:
benzo(a)pirenu, benzo(b)flurantenu, benzo(k)fluorantenu, fluorantenu, pirenu, benzo(g,h,i)perylenu łącznie z indeno(l,2,3,c,d)pirenem oraz sum y ww. aromatycznych węglowodorów.
INDEKSY
k, r, i — n u m er reakcji, liczba reakcji, n u m er rodnika lub chemicz
nego składnika
f, b — dotyczy reakcji w prost lub odwrotnej g, d - dotyczy fazy gazowej lub ciekłej (kropli) pow, p ar, o — dotyczy pow ietrza, p ary oleju lub oleju.
LITERATURA
[1] D arnikiewicz T., Herczyk B., Pasoń A., W asilew ska J.: B adania zanie
czyszczenia pow ietrza, Skrypt Pol. SI. n r 1380, Gliwice 1988.
[2] G lassm an I.: Combustion, Academic Press, O rlando 1987.
[3] Law F., Longwell J.P ., H ow ard J.B.: The Effect of E thylene and Benzene Addition on th e Form ation of PAH an d Soot in Jet-Stired/Plug Flow Com bustor, Tw enty F our (Intern atio nal) Sym posium on Combustion, The Com bustion In stitu te , 1992.
[4] Spalanie paliw ze szczególnym uwzględnieniem problemów ekologicz
nych. E kspertyza PAN, Wydz. 4, Pr. zb. pod red. J. Tomeczka, Warszawa 1992.
[5] Szlęk A.: E ksperym entalno-teoretyczne b ad an ia nad em isją tlenku azo
tu podczas sp alania oleju, P raca doktorska, In sty tu t Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska, Gliwice 1994
[6] W ilk R., Szlęk. A.: Możliwość ograniczenia emisji NOx przez sterowanie procesem rozpylania paliw ciekłych, G.P. i E., N r 11. 1994, s. 8-11.
[7] W ilk R., Zieliński Z.: Investigation of PAH em ission during th e combu
stion of fossil fuels, Second In te rn atio n a l Conference on Combustion Technologies for a Clean Envircnm ent, Lisboa, Ju ly 1993, Vol. 2 p.
10-17.
O graniczenie emisji tlenku azotu. 2 9 9
[8] W ilk R., Z ie liń ski Z., S zlęk A.: D e r E in flu s s des V e rla u fs der V e rb re n n u n g von O l a u f die E m ission M e h rk e rn ig e r A ro m a tisch e r Kohlenvas- serstoffe, if-D ie In d u strie fe u ru n g , No 61, 1995, p. 28-36.
[9] W ilk R., Szlęk A.: Sposób zm niejszania k o n c e n tra c ji tle n k ó w azotu w spalinach zwłaszcza ze spa la n ia p a liw olejowych, Zgl. Pat. N r P-302005, 1994.
[10] W ilk R., Szlęk A.: The influ e n ce o f atom ized o il m ic ro s tru c tu re on N O x em ission, AES-Vol. 33, T herm odynam ics and Design, A nalysis, and Im provem ent o f Energy Systems, A S M E , Chicago, 1994, p. 1-6.
[11] W ilk R., Szlęk A., Z ie liń s k i Z.: W p ły w w a ru n k ó w spalania oraz model tw o rze n ia W W A p rz y s p a la n iu lekkiego oleju opałowego, G.P. i E .,1995 (w d ru ku ).
Recenzent: D r hab. inż. M a re k PRO NO BIS
A b str a c t
The paper proposed the b i-fra tio n a l a to m iz a tio n o f o il as a m ethod of the a b a te m e n t o f the NOx em ission. T h is idea was v e rifie d by means o f the th e o re tic a l calculations and th e e xp e rim e n ta l m easurem ents. I t was assumed o n e -d im e n tio n a l axisym etric flo w w ith k n o w n th e te m p e ra tu re and ve locity along th e flam e. K inetic scheme o f 256 chem ical reactions was considered.
T he model was examined fo r tw o cases o f a to m iza tio n : m on o fra ctio n a l and b i-fra c tio n a l atom ization. I t appeared th a t th e re d u ctio n o f the N O x emission to o k place in th e case of the b i-fra c tio n a l a to m iza tio n . T h is case was tested by th e e xp e rim e n ta l m easurem ent d u rin g th e b u rn e r com bustion o f lig h t o il w ith th e h e a t capacity o f 50 kW . A special b u rn e r was applied a llo w in g to create th e special m ik ro s tru c tu re o f th e stream o f droplets. A t th e b i-fra c tio n a l ato m iza tio n , 20 - 40 % abatem ent o f th e N O x concentratio n took place. The la rg e droplets, b u rn in g out o f th e m a in com bustion zone, created th e reducing ra d ic a ls (CO, Q H j) and caused th e tra n s fo rm in g o f th e N O in to the m olecular n itro g e n , N 2.
The P A H emission concerned th e in flu e n ce o f th e q u a n tity o f com bustion a ir and p rim a ry a ir upon th e em ission o f P A H in th e course o f com bustion of lig h t oil. I t was ascertained th a t th e em ission o f P A H reached its m in im u m at th e a ir ra tio o f 1.3-1.4. The la rg e r a m o u n t o f p rim a ry a ir th e s m a lle r P A H co n ce n tra tio n took place. I t has been found th a t th e long residance tim e b ro u g h t about the sm all P A H concentratio n. A h ig h e r content o f arom atic
300 Ryszard Wilk, Andrzej Szlęk, Zygmunt Zieliński
hydrocarbons favours a h ig h e r P A H em ission p a rtic u la rly i f the content of hydrocarbons exeeds th e va lu e o f 22%. The influ e n ce o f addition s (Cr, Si, V) on P A H em ission is un e xp licid . A rrh e n iu s ' costants w ere determ ined at the reactions o f BaP creation and BaP oxidation . I t was ascertained th a t the value o f a c tiv a tio n energy was contained in th e accepted lim its .
