Кратко: причины — NOx образуется за счёт термического механизма (высокая температура, O•/O2) и «топливного» N в биомассе; частицы — мелкая зола (алкали, хлориды), незгоревший углерод и конденсат. Предлагаю комплекс мер (по приоритету) с химическим обоснованием.
1) Подготовка топлива
- Снижение влажности и однородность (сушка, гранулирование/пеллетирование, торрефикация) — уменьшает колебания горения, снижает образование углеродных частиц и пиролизных продуктов.
- Удаление крупных загрязнений/песка и биомассовых фракций с высоким содержанием K/Cl/Si — снижает образование мелкой зольной пыли и коррозию.
2) Оптимизация режима горения (профилактика образования NOx/PM)
- Снижение пиковых температур и локально восстановительная атмосфера: staged combustion (поджиг/зона восстановления + вторичный поддув). Это уменьшает термический NOx, т.к. образование NO идёт по Zeldovich-механи́зму: $$N_2+O\rightleftharpoons NO+N$$ и чувствительно к T и свободным O.
- Контроль избытка воздуха близко к оптимальному: $\text{Excess air}\approx 1.05\text{–}1.2$ — уменьшает переизбыток O2, снижая образование NOx и неполное горение (PM).
- Рециркуляция дымовых газов (FGR) — снижает локальную температуру и O2, уменьшает термический NOx.
- Улучшение турбулентности и времени пребывания в зоне догорания — уменьшает CO и незгоревший углерод (источник PM).
3) Топливно-химические методы (снижение «топливного» NOx)
- Staged air / reburning: в основной зоне сделать немного топливосущую (богатую) зону, затем ввести воздух/дополнительное топливо в зоне догорения. Радикалы CH/H/CO в зоне догорения восстанавливают NO в N2 (упрощённо): $$NO+C{H}_x\to N_2+CO/C{O}_2+H_{2}O$$ - Уменьшение конверсии органического N → NO за счёт более длинной восстановительной стадии (перехват HCN/NH3 радикалами к N2).
4) Химическая доочистка NOx (если источниковый контроль недостаточен)
- SNCR (селективное некаталитическое восстановление) — ввод аммиака или мочевины в зону с температурой примерно $800\text{–}1100{}^{\circ }\mathrm{C}$. Примеры реакций:
$$4N{H}_3+4NO+O_2\to 4N_2+6H_{2}O$$
или (мочевина, упрощённо):
$$CO(N{H}_2{)}_2+2NO+\frac{1}{2}{O}_2\to 2N_2+C{O}_2+2H_{2}O$$ - SCR (селективное каталитическое восстановление) — катализатор (V, Ti, Cu/zeolite) и NH3, эффективнее при низких концентрациях и даёт снижение NOx до очень низких значений; рабочий диапазон $250\text{–}450{}^{\circ }\mathrm{C}$.
5) Снижение и контроль твёрдых частиц (PM)
- Минимизировать первичный вывод: лучшее горение, удаление части мелкой фракции топлива, оптимизация температуры (во избежание испарения K/Cl и образования конденсатной соли).
- Аппаратные установки:
- Циклон (предочистка) — удаляет крупные частицы.
- Мультициклон — улучшение отделения ($\sim 50\%\text{–}85\%$ в зависимости от размера).
- Электрофильтр (ESP) — высокая эффективность для мелкой золы, особенно при стабильном составе газа.
- Тканевые фильтры (baghouse) — эффективнее для PM2.5, часто $>99\%$.
- Силовые решения: комбинировать циклон + ESP/фильтр.
- Химические/адсорбционные методы: ввод сливных сыпучих связующих (например, $Ca(OH{)}_2$) для агломерации и связывания кислотных пар (HCl), реакция: $$Ca(OH{)}_2+2HCl\to CaC{l}_2+2H_{2}O$$ — уменьшает коррозионные и конденсационные частицы.
6) Специфичные меры против «летучих» мелких частиц (KCl, сульфаты)
- Предварительная промывка/обессоливание топлива или смешивание с низко-калийными видами.
- Добавление связывающих (Ca-based sorbents) в топку для трансформации летучих солей в крупные частицы/шлакообразные формы, легче удаляемые фильтрами.
7) Мониторинг и эксплуатация
- CEMS для NOx, O2, CO, PM; регулирование по показателям (PID-контроль подачи воздуха, FGR, подача реагентов).
- Регулярная чистка и обслуживание пылеудаляющих устройств и горелок; контроль размеров топлива и влажности.
Резюме (рекомендация по очередности внедрения)
1) корректировка топлива (сушка/сортировка),
2) оптимизация горения (staged combustion, FGR, управление избыточным воздухом),
3) при необходимости — reburning/SNCR,
4) установка эффективной системы улавливания пыли (baghouse/ESP),
5) при высоких требованиях к NOx — SCR + адекватный предфильтр для пыли.