مشعل کم NOx چیست؟ راهنمای سیستم های سوزاننده NOx کم کوره های صنعتی

مشعل NOx کم چیست - پاسخ مستقیم

A مشعل NOx کم یک دستگاه احتراق مهندسی شده برای به حداقل رساندن تشکیل اکسیدهای نیتروژن (NOx) - در درجه اول اکسید نیتریک (NO) و دی اکسید نیتروژن (NO2) - در هنگام سوزاندن گاز طبیعی، نفت یا سایر سوخت‌ها. برخلاف مشعل های معمولی که حداکثر دمای شعله را بیش از حد تولید می کنند 1800 درجه سانتی گراد در جایی که NOx حرارتی به سرعت تشکیل می‌شود، مشعل‌های NOx کم از استراتژی‌های طراحی مانند احتراق مرحله‌ای، گردش مجدد گاز دودکش (FGR) و پیش اختلاط بدون چربی استفاده می‌کنند تا دمای شعله موضعی را زیر آستانه بحرانی تقریباً حفظ کنند. 1500 درجه سانتی گراد ، سرکوب تولید NOx در منبع.

در کاربردهای کوره های صنعتی - از جمله کوره های گرمایش مجدد فولاد، بخاری های فرآیند پتروشیمی، کوره های سیمان و مخازن ذوب شیشه - سیستم های مشعل NOx کم می توانند انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دهند. زیر 30 میلی گرم بر نیوتن متر مکعب (تقریبا 15 پی پی ام)، در مقایسه با 200-500 میلی گرم بر نیوتن متر مکعب از مشعل های معمولی کنترل نشده این آنها را به راه حل فنی اولیه برای رعایت قوانین سختگیرانه کیفیت هوا در سراسر جهان تبدیل می کند.

چرا انتشار NOx در احتراق صنعتی اهمیت دارد؟

NOx یک ترکیب واحد نیست، بلکه خانواده ای از گازهای نیتروژن فعال است که هرگاه سوخت در دمای بالا در حضور نیتروژن اتمسفر بسوزد، تشکیل می شود. تأثیر آنها فراتر از پشته کوره است:

• دود و ازن سطح زمین - NOx با ترکیبات آلی فرار (VOCs) در زیر نور خورشید واکنش نشان می دهد تا ازن، جزء اصلی مه دود شهری که به بافت ریه و پوشش گیاهی آسیب می رساند، تولید کند.
• باران اسیدی - NO2 با بخار آب واکنش می دهد و اسید نیتریک (HNO3) را تشکیل می دهد و به بارش اسیدی کمک می کند که به اکوسیستم، خاک و زیرساخت ها آسیب می رساند.
• ذرات معلق (PM2.5) - واکنش های ثانویه NOx باعث تولید ذرات ریز مرتبط با بیماری های قلبی عروقی و تنفسی می شود.
• مجازات های نظارتی - در اتحادیه اروپا، دستورالعمل انتشار گازهای گلخانه‌ای صنعتی (IED) محدودیت‌های NOx را تا حد پایین تعیین می‌کند. 100 میلی گرم بر نیوتن متر مکعب برای نیروگاه های احتراق بزرگ؛ در ایالات متحده، EPA NESHAP و قوانین ایالتی در کالیفرنیا (SCAQMD) محدودیت هایی را به این موارد اعمال می کنند 9-30 ppm برای مشعل های صنعتی

کوره های صنعتی یکی از بزرگترین دسته های منابع NOx ثابت در سطح جهان هستند. آژانس بین‌المللی انرژی تخمین می‌زند که احتراق صنعتی عامل آن است بیش از 20 درصد از انتشارات انسانی NOx جهانی ، فناوری مشعل NOx کم را به یک ابزار اصلی در کربن زدایی صنعتی و استراتژی های کیفیت هوا تبدیل می کند.

سه نوع NOx و نحوه تشکیل هر کدام

درک مسیرهای تشکیل NOx برای انتخاب تکنولوژی مناسب NOx کم ضروری است. هر مسیر به طور متفاوتی به مداخلات طراحی مشعل پاسخ می دهد:

برای اکثر کوره های صنعتی گاز طبیعی، NOx حرارتی غالب است ، کنترل دمای شعله را به هدف مهندسی اولیه تبدیل می کند. NOx سوخت در کاربردهای نفت کوره سنگین، زغال سنگ یا گاز پالایشگاهی که محتوای نیتروژن محدود به سوخت می‌تواند از آن بیشتر شود، قابل توجه است. 0.5 درصد وزنی .

فن آوری های اصلی مورد استفاده در طراحی مشعل کم NOx

مدرن مشعل های صنعتی کم NOx ترکیب یک یا چند مورد از استراتژی های مهندسی احتراق اثبات شده زیر، اغلب در یک طراحی یکپارچه متناسب با نوع کوره و سوخت خاص:

احتراق مرحله‌ای (هوا یا سوخت)

احتراق مرحله‌ای فرآیند احتراق را به دو یا چند ناحیه متوالی تقسیم می‌کند. در صحنه سازی هوا احتراق اولیه در یک منطقه غنی از سوخت و کمبود اکسیژن رخ می دهد که NOx را سرکوب می کند. هوای ثانویه برای احتراق کامل به پایین دست وارد می شود. در مرحله بندی سوخت (سوختن مجدد)، یک منطقه تزریق سوخت ثانویه شرایط کاهشی ایجاد می کند که از نظر شیمیایی NOx تشکیل شده را تجزیه می کند. مرحله بندی هوا به تنهایی می تواند به کاهش NOx دست یابد 40-60٪ در مقابل مشعل های معمولی

گردش مجدد گاز دودکش (FGR)

FGR بخشی از گازهای خروجی خنک شده را هدایت می کند (معمولا 10 تا 30 درصد از حجم کل گازهای دودکش ) بازگشت به جریان هوای احتراق. گاز چرخشی غلظت اکسیژن را رقیق می کند و ظرفیت گرمایی مخلوط واکنش دهنده را افزایش می دهد که هر دو باعث کاهش دمای اوج شعله می شوند. FGR به ویژه در کوره های با دمای بالا موثر است و می تواند NOx را به میزان اضافی کاهش دهد 50-70٪ هنگامی که با صحنه سازی ترکیب می شود. این استراتژی غالب در بخاری های فرآیند و اصلاح کننده های بخار است که بالای 900 درجه سانتیگراد کار می کنند.

احتراق پیش مخلوط ناب

در مشعل های پیش مخلوط بدون چربی، سوخت و هوا قبل از احتراق با نسبت هم ارزی سوخت به هوا بسیار کمتر از استوکیومتری (معمولا λ = 1.3-1.8) کاملاً مخلوط می شوند. مخلوط یکنواخت و بدون چربی در دمای شعله به میزان قابل توجهی کمتر از شعله های انتشاری می سوزد و سطوح NOx بسیار کم تولید می کند. به اندازه 5-9 ppm در سیستم های بهینه شده این رویکرد در احتراق‌های توربین گازی استاندارد است و به طور فزاینده‌ای برای مشعل‌های فرآیند صنعتی که در آن‌ها می‌توان نسبت چرخش و ریسک بازگشت به عقب را مدیریت کرد، استفاده می‌شود.

احتراق بدون شعله (FLOX / احتراق خفیف)

اکسیداسیون بدون شعله (FLOX) یا احتراق متوسط و شدید با رقت کم اکسیژن (MILD) شعله مرئی را به طور کامل با چرخش مجدد حجم زیادی از گازهای دودکش داغ در داخل محفظه کوره از بین می برد. واکنش دهنده ها قبل از احتراق به شدت رقیق می شوند و در دماهای تقریباً یکنواخت، گرمای توزیع شده و حجمی تولید می کنند. انتشار NOx از سیستم های FLOX می تواند باشد زیر 10 میلی گرم بر نیوتن متر مکعب (5 پی پی ام) و آنها را به کم‌ترین فناوری موجود برای کوره‌های صنعتی با دمای بالای 850 درجه سانتی‌گراد تبدیل می‌کند. آنها به طور گسترده در گرم کردن مجدد فولاد و کاربردهای ذوب آلومینیوم استفاده می شوند.

کاهش کاتالیزوری انتخابی (SCR) - کنترل پس از احتراق

اگرچه SCR به خودی خود یک فناوری طراحی مشعل نیست، اما اغلب به عنوان یک تصفیه ثانویه در سیستم‌های NOx کم کوره‌های صنعتی ادغام می‌شود. آمونیاک یا اوره به جریان گاز دودکش تزریق می شود و روی یک بستر کاتالیزور در 300-400 درجه سانتیگراد NOx به N2 و آب بی ضرر تبدیل می شود. SCR می تواند به دست آورد راندمان حذف NOx 90-95٪ اما هزینه سرمایه را اضافه می کند (500-2000 دلار به ازای هر کیلووات ورودی حرارتی) و نیاز به عرضه معرف مداوم دارد.

مقایسه عملکرد مشعل NOx کم بر اساس فناوری

جدول زیر عملکرد معمولی NOx، انواع کوره های قابل اجرا و معاوضه های کلیدی را برای هر یک از فناوری های اصلی کم NOx مورد استفاده در تنظیمات صنعتی خلاصه می کند:

اجزای سیستم مشعل کوره های صنعتی کم NOx

یک کامل کوره صنعتی سیستم مشعل NOx کم فقط سر مشعل نیست - یک مجموعه یکپارچه از سخت افزار و کنترل است. درک هر جزء به مهندسان کمک می کند تا سیستم را به درستی مشخص، تهیه و نگهداری کنند:

بدنه و کاشی مشعل (Quarl)

بدنه مشعل شامل نازل های تزریق سوخت و هوا، آرایش چرخان یا جت و مجموعه خلبان است. کوارل نسوز (کاشی مشعل) الگوی چرخش را شکل می دهد و شعله را تثبیت می کند. در مشعل های FLOX، کوارل برای به حداکثر رساندن حباب داخلی گاز دودکش قبل از احتراق طراحی شده است.

سیستم مدیریت هوا

شامل فن های هوای احتراق، پیش گرمکن های هوا (بازیابی کننده ها یا احیاگرها)، و شیرهای کنترل دمپر می باشد. در سیستم های FGR، یک مجرای چرخش مجزا و یک فن، گاز دودکش را از پشته می کشند و آن را به جریان هوای احتراق تزریق می کنند. درایوهای فرکانس متغیر (VFD) روی فن های هوای احتراق امکان مدولاسیون دقیق جریان هوا را در محدوده کامل چرخش مشعل فراهم می کند (معمولاً 5:1 تا 10:1).

قطار سوخت و شیرهای کنترل

قطارهای سوخت دارای رتبه ایمنی شامل تنظیم کننده‌های فشار، دریچه‌های قطع ایمنی (SSOV)، دریچه‌های جداسازی دستی، و شیرهای کنترل جریان هستند که همگی مطابق با کدهای قابل اجرا (EN 746، NFPA 86، یا EN 1643) اندازه می‌شوند. در سیستم‌های سوخت مرحله‌ای، دریچه‌های کنترل جداگانه، جریان‌های سوخت اولیه و ثانویه را به طور مستقل کنترل می‌کنند تا نسبت مرحله‌بندی مطلوب را در میان تغییرات بار حفظ کنند.

سیستم مدیریت مشعل (BMS)

BMS یک کنترل‌کننده منطقی قابل برنامه‌ریزی با رتبه ایمنی (PLC) یا سیستم رله ایمنی اختصاصی است که توالی‌های راه‌اندازی، خاموش کردن و قفل ایمنی را اجرا می‌کند. حضور شعله را از طریق حسگرهای UV یا یونیزاسیون کنترل می‌کند، چرخه‌های پاکسازی را مدیریت می‌کند و در صورت تشخیص شرایط غیرعادی، خاموش شدن ایمنی را آغاز می‌کند. پلتفرم‌های BMS مدرن با آن مطابقت دارند IEC 61508 SIL 2 یا SIL 3 استانداردهای ایمنی عملکردی در احتراق صنعتی

نظارت بر انتشار و کنترل تریم

سیستم های نظارت بر انتشار مداوم (CEMS) O2، CO و NOx را در زمان واقعی اندازه گیری می کنند. در پیکربندی‌های کنترل تریم حلقه بسته، قرائت‌های NOx به کنترل‌کننده نسبت هوا/سوخت بازگردانده می‌شوند، که به‌طور خودکار نرخ FGR یا تقسیم مرحله‌ای را تنظیم می‌کند تا انتشارات هدف را در محدوده‌های مجاز حفظ کند - این ویژگی به طور فزاینده‌ای توسط تنظیم‌کننده‌ها برای نصب‌های بالاتر الزامی می‌شود. ورودی حرارتی 50 مگاوات .

کاربردهای صنعتی کلیدی سیستم های مشعل NOx کم

تکنولوژی مشعل NOx کم در طیف وسیعی از انواع کوره‌ها و بخاری‌های صنعتی به کار می‌رود که هر کدام چالش‌های احتراق خاصی دارند:

• کوره های گرمایش مجدد فولاد - کوره های راهپیمایی و فشار دهنده که در دمای 1100 تا 1280 درجه سانتیگراد کار می کنند، کاندیدهای اصلی برای FLOX یا سیستم های مشعل احیاکننده مرحله ای هستند. کاهش NOx از بیش از 80% در پروژه های مقاوم سازی در کارخانه های بزرگ فولاد آلمان و ژاپن نشان داده شده است.
• بخاری های فرآیند پتروشیمی - واحد تقطیر خام (CDU) و هیترهای هیدروتراتر در پالایشگاه ها تحت بخش DDDDD EPA NESHAP تنظیم می شوند. مشعلهای NOx بسیار کم مجهز به FGR دستیابی به 15-30 ppm در تاسیسات مطابق با کالیفرنیا استاندارد هستند.
• کوره های ذوب شیشه - احتراق با سوخت اکسی همراه با طراحی NOx کم، هم NOx و هم ذرات را کاهش می دهد. کوره های شیشه ای احیا کننده پورت انتهایی و کناری به دست می آورند <500 میلی گرم بر نیوتن متر مکعب با قرارگیری مشعل بهینه
• کوره های دوار سیمان - مشعل‌های کوره‌ای چند کاناله کم NOx با تزریق هوای اولیه مرحله‌ای برای کار با سوخت‌های جایگزین (زیست توده، سوخت حاصل از زباله) طراحی شده‌اند و در عین حال محدودیت‌های IED اتحادیه اروپا را رعایت می‌کنند. 200 میلی گرم بر نیوتن متر مکعب برای NOx.
• کوره های ذوب و نگهداری آلومینیوم - مشعل های احیا کننده کم NOx با بازیابی حرارت با راندمان بالا به بازده حرارتی بالاتر دست می یابند. 70% در حالی که NOx را به کمتر از 50 mg/Nm³ کاهش می دهد - یک مزیت دوگانه که به طور قابل توجهی هزینه عملیاتی هر تن آلومینیوم تولید شده را کاهش می دهد.
• دیگ های صنعتی - دیگ های لوله آب و لوله آتش با استفاده از مشعل های گازی کم NOx مرحله بندی شده با FGR خارجی رایج ترین سناریوی مقاوم سازی را نشان می دهند. دوره های بازپرداخت 2-5 سال زمانی که هزینه های رعایت و صرفه جویی در سوخت ترکیب می شوند، معمول هستند.

انتخاب مشعل مناسب NOx کم برای یک کوره صنعتی

انتخاب سیستم مشعل مناسب با NOx کم نیاز به ارزیابی چندین پارامتر خاص سایت دارد. مهندسان و مدیران کارخانه باید با معیارهای انتخاب زیر کار کنند:

1. محدودیت انتشار NOx هدف - حد نظارتی قابل اجرا (mg/Nm³ یا ppm در محتوای مرجع O2) را شناسایی کنید. این حداقل سطح فناوری مورد نیاز را تعیین می‌کند: مشعل‌های مرحله‌ای برای > 80 mg/Nm³، FGR برای 30-80 mg/Nm³، FLOX یا پیش‌آمیخته بدون چربی برای <30 mg/Nm³.
2. دمای کارکرد کوره - احتراق FLOX به دمای کوره بالاتر از 850 درجه سانتیگراد نیاز دارد تا خودپایدار باشد. در زیر این آستانه، طرح‌های هوای مرحله‌ای یا FGR مناسب‌تر هستند.
3. ترکیب و تنوع سوخت - گاز پالایشگاه با شاخص Wobbe متغیر به مشعل هایی با پایداری شعله قوی در نوسانات ترکیب نیاز دارد. گاز طبیعی امکان طرح های پیش اختلاط تهاجمی را فراهم می کند.
4. ورودی حرارتی و نیاز به چرخش - نسبت شلیک حداقل به حداکثر را مشخص کنید. مشعل های پیش مخلوط ناب معمولا ارائه می دهند چرخش 4:1 تا 6:1 ; مشعل های شعله پخش مرحله ای می توانند به دست آورند 10:1 یا بیشتر .
5. سطح پیش گرمایش هوای احتراق - دمای بالاتر پیش گرم شدن هوا باعث افزایش راندمان حرارتی می شود اما NOx را نیز افزایش می دهد. پیش گرمایش بالای 400 درجه سانتی گراد، فناوری FGR یا FLOX برای حفظ انطباق با NOx در اکثر حوزه های قضایی اجباری می شود.
6. محدودیت فضا و افت فشار - سیستم‌های FGR به کانال‌کشی و یک فن چرخش نیاز دارند که ردپای اضافی را می‌طلبد. در پروژه های مقاوم سازی، فضای موجود اغلب نرخ FGR و در نتیجه کاهش قابل دستیابی NOx را محدود می کند.

استانداردهای نظارتی رانندگی با مشعل کم NOx

فشار رگولاتوری محرک اصلی بازار برای پذیرش مشعل های صنعتی کم NOx است. چارچوب‌های کلیدی که اپراتورهای صنعتی باید از آن استفاده کنند عبارتند از:

چالش‌های رایج و نحوه برخورد سیستم‌های NOx کم با آنها

اپراتورهایی که به سیستم های مشعل NOx کم ارتقا می دهند اغلب با چالش های پیاده سازی مواجه می شوند. موارد زیر بیشترین موارد گزارش شده و نحوه حل آنها توسط طراحان سیستم با تجربه است:

معاوضه CO–NOx

اگر احتراق در پایین دست کامل نشود، کاهش NOx از طریق مرحله‌بندی غنی از سوخت یا کاهش هوای اضافی می‌تواند انتشار مونوکسید کربن (CO) را افزایش دهد. مشعل های مدرن NOx کم این مشکل را برطرف می کنند بهینه سازی قرارگیری جت هوای ثانویه و مدل سازی احتراق (CFD) برای اطمینان از فرسودگی کامل قبل از خروج گاز دودکش از کوره. سیستم‌های سازگار معمولی به CO2 در زیر دست می‌یابند 100 پی پی ام با حفظ انطباق NOx به طور همزمان.

پایداری شعله در بار کم

مشعل‌های پیش‌آمیخته بدون چربی در سرعت شلیک پایین در معرض ناپایداری شعله (نوسان‌ها، فلاش بک یا انفجار) هستند. راه حل ها شامل طرح های مشعل دو حالته که از عملیات شعله پیش اختلاط به شعله انتشار در زمان خاموشی زیر 30 درصد بار تغییر می کند و پایداری را حفظ می کند و در عین حال به NOx پایین در سرعت شلیک کامل و میان برد دست می یابد.

توزیع انتقال حرارت در کوره

مشعل‌های NOx کم شعله‌های طولانی‌تر و پراکنده‌تر نسبت به طرح‌های معمولی تولید می‌کنند. در کوره‌هایی با محدودیت‌های ابعادی محکم یا پروفیل‌های شار حرارتی خاص، این می‌تواند بر یکنواختی گرمایش محصول تأثیر بگذارد. استراتژی‌های چیدمان مشعل و کنترل منطقه به کمک CFD - با استفاده از چندین مشعل کوچک‌تر به جای مشعل‌های بزرگ کمتر - راه‌حل‌های استانداردی هستند که هم انطباق با NOx و هم کیفیت فرآیند را حفظ می‌کنند.