На рис.1.2 и в табл.1.1 показан механизм образования окислов азота, из которых наглядно видна роль азота воздуха и топлива.
Таблица 1.1
Механизмы образования NOx
| Источник азота | Среда | Механизм |
 N2 азот воздуха
NºN
NТ азот топлива
| Дымовые газы N2+O«NO+N N+O2«NO+O Фронт факела HCN HCN®NHi 1NHi+O«NO+ 11NH+NO«N2+ | Термические NOx Быстрые NOx Топливные NOx |
Рис. 1.3. Качественное соотношение составляющих
при сжигании органического топлива
На рис. 1.4 показано влияние температуры факела на образование окислов азота при сжигании угля.
|
Рис. 1.4. Влияние температуры в топке на образование окислов азота
Источником топливных оксидов азота являются азотосодержащие компоненты топлива. Выход топливных оксидов азота при сжигании угольной пыли в камерных топках происходит на начальном участке факела, в зоне воспламенения и выгорания летучих. Согласно [2] количество оксидов азота зависит от содержания азота в горючей массе топлива в первой степени, от среднеинтегрального значения концентрации кислорода на участке образования NOx в квадрате и сравнительно слабо зависит от температуры пылеугольного факела в этой зоне: при Т>1200 К концентрация топливных NOx пропорциональна
(Т-1100)0,5.
Источником термических и быстрых оксидов азота является молекулярный азот воздуха. Эти оксиды азота называют еще и воздушными. Удельные выбросы воздушных оксидов азота:
.
Термические воздушные оксиды азота образуются при высоких температурах по механизму Я. Б. Зельдовича. Скорость образования термических при этом пропорциональна 
и зависит, прежде всего, от температурного уровня процесса, а также от концентрации кислорода.
Быстрые воздушные оксиды азота образуются во фронте горения при сравнительно низких температурах в результате реакций углеводородных радикалов с азотом воздуха и последующего взаимодействия азотсодержащих и кислородсодержащих радикалов. При сжигании твердого топлива доля быстрых оксидов азота незначительна (менее 10…15 \%). Поэтому для твердого топлива можно говорить о необходимости подавления только топливных и термических NOx. При сжигании газа и мазута с предельно низкими избытками воздуха в котлах малой мощности доля быстрых NOx может составить 30…50 \%, и для них надо искать пути подавления.
При максимальной температуре в зоне активного горения Т£1800 К величина воздушных NOx пренебрежимо мала. Однако при сжигании твердого топлива в высокотемпературных топочных устройствах с жидким шлакоудалением (при Т>1800 К) термические оксиды азота составляют значительную долю и достигают 40…60 \%.
При сжигании газа и мазута оксиды азота образуются в основном по термическому механизму.
Таким образом, при сжигании азотсодержащих топлив удельные выбросы NOx складываются из топливных и воздушных оксидов азота:
г/МДж.
При этом согласно [4]:
г/МДж,
где NT – содержание азота в топливе, г/МДж
где 
– содержание азота в топливе на рабочую массу, \%;
– низшая теплота сгорания топлива, МДж/кг.
Остальные коэффициенты, приведенные в формуле, характеризуют влияние различных конструктивных и режимных параметров процесса. Каждый из этих параметров влияет не только на образование оксидов азота, но и на развитие процесса воспламенения и горения топлива. Эти коэффициенты – безразмерные: они характеризуют относительное изменение количества выбросов топливных оксидов азота по сравнению с горением предварительно перемешанного пылевоздушного потока при температуре (1700±30) К с коэффициентом избытка воздуха в горелке aГ=1,0±0,05. Получены они [7] при этих параметрах на установке для 22 марок углей с Ndaf=0,6…3,0 \% и изменением среднеинтегральной концентрации кислорода 
на начальном участке факела в диапазоне 0,9<aГ<1,3. При этом выяснилось, что зависимость удельных выбросов оксидов азота от NT носит линейный характер, коэффициент К=0,7, концентрация NОx в продуктах сгорания (при постоянном значении температуры) возрастает при увеличении 
; по квадратичному закону получена линейная зависимость О2 от избытка воздуха. На основании этих данных получены формулы для расчета безразмерных коэффициентов, учитывающих влияние коэффициента избытка воздуха в горелках aГ на образование топливных оксидов азота.
Для вихревых горелок этот коэффициент:
,
при
0,9 £ aГ £ 1,3.
,
при
0,9 £ aГ £ 1,3.
В пылеугольном факеле воспламенение и сгорание летучих происходит в первичном воздухе, а вторичный воздух постепенно подмешивается к горящей аэросмеси. При изменении коэффициента подачи первичного воздуха от 0,15 до 0,55 получен коэффициент, учитывающий влияние подачи первичного воздуха на образование NОx:
ba1=1,73a1+0,48.
Рециркуляция дымовых газов через горелки оказывает двойное воздействие на процесс образования оксидов азота: за счет снижения температурного уровня и за счет снижения концентрации кислорода в первичном воздухе (при условии, что газы рециркуляции поступают с первичным воздухом). В диапазоне изменения коэффициента рециркуляции дымовых газов 0 £ rрц £ 30 \% безразмерный коэффициент, учитывающий влияние рециркуляции дымовых газов в первичный воздух:
По результатам лабораторных исследований установлено [8], что в диапазоне температур 1250…2050 К концентрация оксидов азота зависит от максимальной температуры на участке образования NОx в степени 1/3. Промышленные исследования показали, что максимальная температура на участке образования топливных оксидов азота составляет 
, где 
– температура за зоной активного горения, рассчитываемая по [4].
На основании этих исследований получена формула для безразмерного коэффициента, учитывающего влияние температуры на образование топливных оксидов азота:
при
Интенсивность подмешивания вторичного воздуха к аэросмеси зависит от крутки факела (для вихревых горелок), от соотношения скорости потоков первичного и вторичного воздуха на выходе из горелки (W1 и W2). В диапазоне соотношения скоростей W2/W1 для вихревых горелок:
1,0 £ W2/W1 £ 1,5
получена величина безразмерного коэффициента:
При транспорте пыли к горелкам высокой концентрации полученное значение удельных выбросов топливных оксидов азота умножается на понижающий коэффициент К1=0,8, т.е.
При этом доля первичного воздуха a1 и отношение скоростей вторичного и первичного воздуха на выходе из горелки W2/W1 принимаются согласно нормативным указаниям по проектированию топочных устройств [13] воздухом.
Воздушные оксиды азота образуются в зоне максимальных температур, т.е. там, где поля концентраций, скоростей и температур отдельных горелок уже выровнялись, т.е. удельные выбросы воздушных оксидов азота 
определяются не особенностями горелок, а интегральными параметрами топочного процесса. Для подсчета используется зависимость, учитывающая известное уравнение академика Я. Б. Зельдовича [8]:
где 
– коэффициент избытка воздуха в зоне активного горения, условно принимаемый как сумма организованно подаваемого воздуха через горелки и присосов через нижнюю часть топочной камеры, т.е.
;
– температура на выходе из зоны активного горения, К;
DaТ – величина присосов в топочной камере;
aГ – избыток организованно поданного воздуха в горелки (воздух, подаваемый через работающие «холостые» горелки и также через сопла третичного дутья).
Приведенное уравнение справедливо в диапазоне коэффициента избытка воздуха 
и до температуры 2050 К. При температуре <1800 К величиной 
можно пренебречь.
Коэффициент 1,54×1016 (определен для донецких и кузнецких каменных углей) учитывает отличие постоянных значений и 
от переменных температуры и концентрации кислорода в зоне образования термических оксидов азота, а также время пребывания в этой зоне. Температура на выходе из зоны активного горения () является параметром, зависящим от способа подготовки угольной пыли, ее качества, конструктивных особенностей топочной камеры, теплонапряжения, теплообмена, аэродинамики зоны активного горения.
Ловачев Л.А., Хвисевич С.Н. Образование оксида азота (N0) при распространении ламинарного пла- мени по гомогенной метанвоздушной смеси. // ФГВ - т. 34 - 1998 - № 1