Kỹ Thuật Xử Lý NOx Trong Quá Trình Cháy

Khí NOx là loại khí độc hại, hình thành do quá trình đốt cháy khí nitơ (N₂) gây ra, tập trung chính ở vùng thành thị và các khu công nghiệp. NOx có thể đi sâu vào phổi con người và gây ra các bệnh về hô hấp. Dưới đây, Môi trường Hợp Nhất tổng hợp một số kỹ thuật xử lý NOx trong quá trình cháy, mời các bạn cùng tìm hiểu.

Kỹ thuật xử lý NOx trong quá trình cháy

Trong các kỹ thuật hạn chế hàm lượng NOx phát thải thì kỹ thuật xử lý trong quá trình cháy được sử dụng hiệu quả nhất và kinh tế nhất. Các kỹ thuật thường được sử dụng như: điều chỉnh hệ số không khí thừa, phân cấp không khí, phân cấp nhiên liệu, tái tuần hoàn khói, sử dụng vòi phun đốt nhiên liệu tạo NOx thấp.

a) Điều chỉnh hệ số không khí thừa α

α = lượng không khí thực tế/ lượng không khí lý thuyết

Nếu lượng không khí thực tế cấp cho quá trình cháy gần bằng với lượng không khí lý thuyết (α à 1) thì hàm lượng oxy thừa giảm xuống , giảm hàm lượng NOx hình thành. Đây là phương pháp đơn giản nhất để hạn chế NOx phát thải. Tuy nhiên, khi giảm α quá thì dẫn đến hàm lượng khí CO trong sản phẩm cháy tăng do thiếu oxy cho quá trình cháy nhiên liệu. Hàm lượng oxy thừa trong sản phẩm cháy dưới 3% sẽ làm cho hàm lượng CO tăng vọt, hiệu suất quá trình cháy giảm. Ngoài ra hàm lượng oxy thấp có thể làm cho một số vùng trong buồng lửa trở thành môi trường hoàn nguyên, nhiệt độ nóng chảy của tro giảm xuống nên hiện tượng bám xỉ và ăn mòn tường lò.

Việc xác định α thích hợp cho mỗi lò phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công nghệ đốt, nhiên liệu, kết cấu buồng tủa.

b) Phân cấp không khí

Phương pháp cấp khí cho quá trình cháy bằng cách phân phối thành nhiều cấp nhằm hạn chế hàm lượng NOx phát thải được sử dụng phổ biến nhất. Nguyên lý của phương pháp này được thực hiện theo từng giai đoạn. Trong giai đoạn đầu, không khí cấp vào cùng với nhiên liệu chiếm khoảng 70 đến 75% tổng lượng không khí cấp cho quá trình cháy (không khí này được gọi là không khí cấp 1), nhiên liệu cháy trong điều kiện thiếu khí oxy. Khi đó hệ số không khí thừa α < 1 làm giảm nhiệt độ cháy và tốc độ cháy dẫn đến giảm cường độ phản ứng tạo NOx trong vùng phản ứng này.

Để quá trình cháy hoàn toàn, tiếp tục cấp không khí cấp 2 vào khu vực phía trên vùng không khí cấp 1. Phản ứng cháy tiếp tục phản ứng trong điều kiện α >1. Tuy nhiên sử dụng phương pháp này có nhược điểm là trong vùng cấp không khí cấp 1 nhiệt độ thấp dẫn đến khả năng bám xỉ, nhiên liệu chưa cháy trên bề mặt ống sinh hơi gây nên ăn mòn bề mặt kim loại. Vì vậy, để phát huy được ưu điểm và hạn chế các nhược điểm của phương pháp này việc điều chỉnh tỷ lệ giữa không khí cấp 1 và cấp 2 cần phải quan tâm hàng đầu. Tỷ lệ này phụ thuộc vào các điều kiện vận hành như loại nhiên liệu, kiểu buồng đốt, hệ số α, nhiệt độ không khí cấp, thời gian lưu loại các sản phẩm cháy ở mỗi vùng. Việc xác định tỷ lệ này cũng như khoảng cách vị trí cấp gió cấp 1 và cấp 2 có giá trị hợp lý thường được nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm với mỗi điều kiện khác nhau.

c) Đốt phân cấp nhiên liệu

Khí NOx hình thành và phản ứng với hidro cacbon và sản phẩm cháy như CO, CO₂, C và C_mH_n theo các phương trình phản ứng:

4NO + CH₄ --- > 2N₂ + CO₂ + H₂O

4NO + 2C_nH_m + (2n-1+m/2)O₂ --- > N₂ + 2nCO₂ + mH₂O

4NO + 2CO --- > N₂ + 2CO₂

4NO + 2C   --- > N₂ + 2CO₂

4NO + 2H₂ --- > N₂ + 2 H₂O

Dựa vào đặc điểm các phản ứng này, nhằm hạn chế NOx hình thành thường sử dụng 80 – 85% lượng nhiên liệu tiêu thụ đưa vào vùng cháy cấp 1. Lượng nhiên liệu còn lại đưa vào vùng cháy cấp 2 ở phía trên vòi phun chính dưới điều kiện α <1, hình thành bị hoàn nguyên rất mạnh làm cho NOx hình thành trong vùng đốt cấp 1 bị hoàn nguyên thành phân tử Nitơ. Trong vùng cháy cấp hai không những làm cho khí NOx hình thành bị hoàn nguyên mà còn đồng thời kiềm chế sự hình thành NOx mới. Khi dùng phương pháp cấp nhiên liệu đốt khí phát thải NOx có thể giảm xuống đến 50%. Ngoài ra, ở phía trên vùng cháy cấp 2 có thể bố trí miệng “gió xiết” để tạo vùng cháy cấp 3 được gọi là vùng cháy kiệt. Tại đây tạo điều kiện thực hiện các phản ứng cháy hoàn toàn nâng cao hiệu suất quá trình cháy.

Khi sử dụng phương pháp vùng cháy cấp 3 thì thời gian lưu lại của nhiên liệu chưa cháy và sản phẩm cháy tương đối ngắn. Vì vậy nhiên liệu sử dụng cho vùng cháy cấp 2 thường sử dụng loại nhiên liệu khí hoặc lỏng dễ bắt lửa và dễ cháy. Nếu sử dụng đốt nhiên liệu than thì phải dùng loại than có hàm lượng chất bốc cao và không thể sử dụng cho vùng cháy cấp 2, sử dụng hiệu quả nhất là khí thiên nhiên.

d) Sử dụng vòi phun có nồng độ NOx thấp

Một trong các phương pháp nhằm hạn chế sự hình thành khí NOx từ quá trình đốt cháy nhiên liệu là sử dụng thiết bị đốt hợp lý tương ứng với các loại nhiên liệu. Với than antraxit ở Việt Nam có hàm lượng chất bốc thấp, nhiều tro nên rất khó cháy.

Do đó, cần phải có vòi phun đốt hợp lý để quá trình bắt lửa sớm, cháy kiệt và giảm hàm lượng NOx.

Trong thực tế, thường sử dụng một số phương pháp phổ biến như sau:

-  Phân cấp gió: Đây là phương pháp sử dụng khá rộng rãi. Nguyên tắc thiết kế loại vòi phun này cũng tương tự như phương pháp phân cấp không khí ở trên và được thể hiện trên hình 4.9. Theo nguyên lý này thì vùng bắt lửa phải gần miệng vòi phun, hình thành vùng đốt nhiên liệu giàu với α < 1. Vì vậy cần phải điều chỉnh điểm hòa trộn giữa gió cấp 2 và cấp 3 một cách hợp lý để hàm lượng khí NOx sinh ra thấp nhất. Ngoài ra có thể thêm luồng gió cấp 3 để tăng môi trường hoàn nguyên mạnh hơn và tăng khả năng cháy kiệt.

-  Phân cấp nhiên liệu: Nhiên liệu được dẫn vào vòi phun bằng 2 nhánh khác nhau. Nhánh thứ nhất chiếm đến 70 – 80% được gọi là nhánh có nồng độ đậm đặc, loãng thì nhiệt độ dòng chảy thấp làm hạn chế lượng NOx. Khi nhiên liệu cháy trong vùng đậm đặc thì do môi trường cháy là môi trường hoàn nguyên mạnh nên cũng hạn chế khả năng tạo NOx. Cả hai nhánh này đồng thời tiến hành trong vùng bắt lửa và tiếp tục cháy kiệt trong buồng lửa. Sử dụng nguyên lý này hãng Mitsubishi Heavy Industries đã chế tạo với các vòi phun kiểu PM và DM để hạn chế khả năng tạo NOx. Việc sử dụng kiểu và số lượng vòi phun phụ thuộc lớn vào kết cấu buồng lửa, loại nhiên liệu. Lựa chọn và bố trí vòi phun hợp lý sẽ hạn chế được hàm lượng NOx sinh ra.

Tuy khí NOx là hợp chất độc hại nhưng chúng vẫn được tạo ra hằng ngày để phục vụ cho các hoạt động sản xuất công nghiệp.

Hy vọng với một số thông tin về kỹ thuật xử lý NOx trong quá trình cháy đã cung cấp trong bài sẽ làm nguồn tham khảo bổ ích cho bạn đọc và các bạn có thể ứng dụng.

Bộ phận Truyền thông & Marketing