Расчет выбросов оксида углерода при сжигании топлива в стационарных системах

 

Оксид углерода (II) СО (монооксид углерода, угарный газ) в естественных условиях, на поверхности Земли, образуется при неполном анаэробном разложении органических соединений и при сгорании биомассы, при лесных и степных пожарах, в результате выделения его растениями, микроорганизмами, животными и человеком, во время фотораспада продуктов жизнедеятельности планктонов, различных водорослей, в составе болотного и вулканических газов, при фотодиссоциации СО₂, электрических бурях, в период проращивания семян и роста сеянцев.

Основным антропогенным источником CO является выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Он образуется при сгорании углеводородного топлива в ДВС при недостаточных температурах или плохой настройке системы подачи воздуха:

2C + O₂ → 2CO↑

Бытовыми источниками СO являются: неисправность газопроводов, газовой аппаратуры; неполное сгорание топлива в печах; пожар; табачный дым (содержится 0,5 – 1 % СО).

Промышленные источники:

- продукты горения углесодержащих соединений в топливе;

- при поверхностном окислении угля;

- производство кокса, технического углерода, соды, аммиака, формалина, гидрогенерации жиров, синтеза метилового спирта, муравьиной и щавелевой кислот, метана, каталитический крекинг, при производстве и переработке синтетических волокон и т.д.;

- керамическая и металлургическая промышленность; кирпичный и цементный завод;

- при газовом сваривании с использованием СО₂.

Поступление CO от природных и антропогенных источников примерно одинаково.

Средняя продолжительность пребывания СO в атмосфере около 2 месяцев. Воздушным потоком СO поднимается в стратосферу, где окисляется к СО₂, а также взаимодействует с гидроксильными радикалами с образованием формальдегида и принимает участие в реакции восстановления НNО_з к NО₂.

Оксид углерода поглощается грунтовыми грибками и микроорганизмами, растениями, которые окисляют его до СО₂. Некоторые морские водоросли накапливают до 5% СO. В организме животных и человека также возможное окисление СO до СO₂, но оно весьма незначительное.

Оксид углерода – бесцветный газ без вкуса и запаха, плохо растворяется в воде, более тяжелый за воздух. При низких температурах СО химически инертный, при высоких и при наличии катализаторов – легко вступает в различные реакции. Смесь двух объемов СО и одного объема О₂ взрывается при зажигании. С водой, кислотами, щелочью не реагирует. Растворяется в спирте и бензоле. Горит синим пламенем (температура начала реакции 700 °C) на воздухе. Благодаря хорошей теплотворной способности, является компонентом разных технических газовых смесей, используемых, в том числе, для отопления.

Реагирует с галогенами, например с хлором и образует фосген (COCl₂) (отравляющее вещество), с фтором – карбонилфторид (COF₂) и с бромом – карбонилбромид (COBr₂).

C переходными металлами образует очень летучие, горючие и ядовитые соединения – карбонилы, такие как Cr(CO)₆, Ni(CO)₄, Mn₂CO₁₀, Co₂(CO)₉ и др.

Реагируя с аммиаком, при высоких температурах, образуется циановодород (HCN) (кислота).

ПДК_р.з. по Гигиеническим нормативам ГН 2.2.5.1313–03 составляет 20 мг/м³. Предельно допустимые концентрации оксида углерода: ПДКм.р.= 5 мг/м³; ПДКc.с. =3 мг/м³. Угарный газ отнесен к 4 классу опасности.

Угарный газ очень опасен, вызывает отравление и даже смерть. Признаки отравления: головная боль и головокружение; отмечается шум в ушах, одышка, сердцебиение, мерцание перед глазами, покраснение лица, общая слабость, тошнота, иногда рвота; в тяжёлых случаях судороги, потеря сознания, кома.

Токсическое действие оксида углерода основано на том, что он связывается с гемоглобином крови прочнее и в 200–300 раз быстрее, чем кислород (при этом образуется карбоксигемоглобин), это блокирует процессы транспортировки кислорода и клеточного дыхания, вызывает появление сахара в крови, повышает способность крови сгущаться. Из–за низкой анемии возможная смерть. Легкие отравления сопровождаются без потери сознания или с непродолжительной бессознательностью, сонливостью. Концентрация в воздухе более 0,1 % приводит к смерти в течение одного часа. При трудных отравлениях потеря сознания длится более 2 часов.

При отравлении пострадавшего нужно вынести в лежачем положении на свежий воздух, освободить от одежды, препятствующая дыханию, согреть. В легких случаях отравления дать кофе, крепкий чай. Все эти мероприятия проводятся к восстановлению нормального дыхания и кровообращения. Отравление тяжелой и средней тяжести лечат в стационарах.

СО применяется для обработки мяса животных и рыбы, придает им ярко красный цвет и вид свежести, не изменяя вкуса. Во времена Второй мировой войны нацисты применяли угарный газ для массового умерщвления людей.

Оксид углерода (IV) СО₂ (диоксид углерода, углекислый газ) – бесцветный газ, без запаха, со слегка кисловатым вкусом. Концентрация его в атмосфере Земли составляет в среднем 0,038 %. При содержании в воздухе 3% у человека учащается дыхание, при 10% – наступает потеря сознания и быстрая смерть, при 20% – вызывает мгновенную потерю сознания.

При атмосферном давлении СО₂ не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый СО₂ называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах он переходит в жидкость.

Он легко пропускает ультрафиолетовые лучи и лучи видимой части спектра, которые поступают на Землю от Солнца и обогревают её. В то же время он поглощает испускаемые Землёй инфракрасные лучи и является одним из парниковых газов, вследствие чего принимает участие в процессе глобального потепления, этот процесс получил название «парникового эффекта».

С марта по сентябрь вследствие фотосинтеза содержание СО₂ в атмосфере падает, а с октября по февраль – повышается. Вклад в зимний прирост дают как окисление древесины (гниение, разложение гумуса, лесные пожары), так и сжигание ископаемых топлив (угля, нефти, газа).

По химическим свойствам СО₂ относится к кислотным оксидам. При растворении в воде образует угольную кислоту. Реагирует со щёлочами с образованием карбонатов и гидрокарбонатов. Восстанавливается при 100⁰ С углем до оксида углерода (II).

СО₂ участвует во многих процессах метаболизма живой клетки, получается в результате множества окислительных реакций у животных и выделяется в атмосферу с дыханием. Растения поглощают СО₂ в процессе фотосинтеза, а без освещения они его выделяют.

СО₂ не токсичен, но не поддерживает дыхание. Большая концентрация в воздухе вызывает удушье. Недостаток углекислого газа тоже опасен.

Углекислый газ в организмах животных имеет и физиологическое значение, например, участвует в регуляции сосудистого тонуса.

В пищевой промышленности диоксид углерода используется как консервант и обозначается на упаковке Е290, а также в качестве разрыхлителя теста.

Сжиженный углекислый газ широко применяется в огнетушителе, производства газированной воды и лимонада, в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.

Характеристика выбросов СО необходима для оценки уровня загрязнения атмосферы и принятия мероприятий, направленных на предупреждение попадания в воздух опасного количества угарного газа.

 

Методика расчета

 

Методика предназначена для расчета выбросов оксида углерода (т/год, г/с) от систем малой мощности (до 30 т/ч).

М _CO = 0,001 × q₃ × R × Q^P_H × Р × (1 – q₄ / 100), (2.1)

где: q₃ – потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива, %;

q₄ – потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива;

Р – расход топлива (т/год, тыс.м³/год, г/с, л/с);

Q^P_H – теплота сгорания топлива, Дж/кг, МДж/м³;

R – коэффициент, учитывающий потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, обусловленную содержимым СО в продуктах неполного сгорания, принимается: для твердого топлива 1,0; для газа 0,5.

Индивидуальные задания для студентов

 

Определить массу выбросов СО в атмосферный воздух от отопительной системы. Во всех заданиях топочная работает на природном газе, коэффициенты: q₃ равен 0,5, q₄ – 0,5 и коэффициент R для газа – 0,5.

Исходные данные представлены в таб.2.1.

 

Таблица 2.1. Задания для индивидуальной работы

 

№ п/п	Объект	Кол–во котлов, шт.	Расход топлива на один котел	Т, час/год	Q^PH, МДж/м^3
Пример	Административное здание аэропорта		14,68 л/сек, 52,86 м^3/час		33,3
	Жилой дом: 6 этажей, 3 секции		23,61 л/сек, 56,3 м^3/час		33,3
	Гостиница: 4 этажа с подвалом		16,67 л/сек, 60 м^3/час		33,52
	Жилой дом: 7 этажей и 3 секции		38,3 л/сек, 108,4 м^3/час		33,3
	Административное здание с подвалом		1,26 л/сек, 4,5 м^3/час		33,3
	Развлекательный центр, 5 этажей		16,1 л/сек, 58,3 м^3/час		33,3
	Жилой дом, 9 этажей, 2 секции		20,8 л/сек, 74,96м^3/час		33,52
	Выставочный центр, 3 этажа		14,53 л/сек, 76,4 м^3/час		33,52
	Жилой дом: 9 этаж., 3секции		37,13 л/сек, 95,21м^3/час		33,3
	Развлекательный центр, 5 этажей		15,1 л/сек, 60,18 м^3/час		33,3
	Жилой дом, 10 этажей, 3 секции		35 л/сек, 122 м^3/час		33,3
	Гостиница, 5 этажей		27,78 л/сек, 73,4 м^3/час		33,52
	Ресторан на 200 человек		1,5 л/сек, 4,8 м^3/час		33,3
	Жилой дом, 12 этажей		28,4 л/сек, 102,4 м^3/час		33,3
	Аэропорт		18,58 г/сек, 61,6 м^3/час		33,52
	Гостиница, 9 этажей		29,87 л/сек, 88,9 м^3/час		33,52

Продолжение табл. 2.1

 

	Жилой дом, 12 этажей		22,58 г/сек, 98,9 м^3/час		33,52
	Бизнес–центр, 5 этажей		2,5 л/сек, 5,5 м^3/час		33,3
	Жилой дом, 7 этажей		13,9 л/сек, 49,97 м^3/час		33,52
	Музей		18,58 л/сек, 47,9 м^3/час		33,52
	Бизнес–центр, 3 этажа		2,1 л/сек, 4,3 м^3/час		33,3
	Гостиница: 12 этажей		38,89 л/сек, 128,9 м^3/час		33,3
	Офисный центр, 7 этажей		11,11 л/сек, 48 м^3/час		33,52
	Жилой дом на 9 этажей		17,2 г/сек, 60,5 м^3/час		33,52
	Гостиница, 5 этажей		13,9 л/сек, 49,97 м^3/час		33,52
	Аэропорт		19,3 л/сек, 79,4 м^3/час		33,52

 

Пример выполнения задания

Определить массу выброса CО от отопительной системы (состоящая из 3 котлов) административного здания. Расход топлива на один котел составляет 14,68 л/сек или 52,86 м³/час. Время отопительного периода 3360 часов в год. Теплота сгорания топлива – Q^Р_Н = 33,3 МДж/кг.

Решение.

1. Определяем потребление газа на один котел в течении года:

52,86м³/час × 3360час/год = 177609,6 м³/год ≈ 177,61 тыс. м³/год.

2. Рассчитываем секундный и годовой выброс СО по формуле (2.1):

за 1 с: М_CO= 0,001× 0,5 × 0,5 × 33,3 ×14,68 × (1–0,5/100) = 0,122 л;

за год: М_CO = 0,001 × 0,5 × 0,5 × 33,3 × 177,61× (1–0,5/100) = 1,47 т.

3. Определяем секундный и годовой выброс от всей отопительной системы. Система состоит из 3 котлов, т.е. масса выбросов увеличивается в 3 раза.

М_CO = 0,122 л × 3 = 0,366 л/сек или М_CO = 1,47 т × 3 = 4,41 т/год.

Ответ: масса выброса оксида углерода составит 0,366л/с или 4,41 т/год.

Контрольные вопросы

 

1. Физические и химические свойства оксидов углерода?

2. Характеристика токсичного действия оксидов углерода?

Рекомендуемая литература

1. Девяткин В.В., Ляхова Ю.М. «Химия для любознательных» Ярославль, 2000, с. 39, 40, 46–47, 62–63.

2. Ахметов Н. С. Общая и неорганическая химия. – М.: Высш. шк.; 2003.

3. Спицын В.И., Мартыненко Л.И. «Неорганическая химия», М.,1991, с.130.