Характеристика источника выделения загрязняющих веществ

Дымовые газы - это наиболее крупнотоннажный газовый поток, загрязняющий атмосферу продуктами горения топлива в печах АВТ. Горючие элементы топлива окисляются кислородом воздуха. В составе дымовых газов кроме азота, диоксида углерода, пары воды, и небольшого количества избыточного кислорода (1,2%) содержатся вредные оксиды азота, а также продукты неполного сгорания топлива оксид углерода и продукты термического разложения топлива - ПАУ.

Основные реакции горения

При сжигании топлива происходит окисление углерода и его соединений с кислородом воздуха с образованием диоксида углерода (или углекислого газа) СО₂ в качестве конечного продукта полного окисления (сгорания) вода:

С + О₂ = СО₂;

Н₂ + О₂ = 2Н₂О;

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О

 

Побочные процессы при горении топлива

В то же время, вследствие локальных недостатков воздуха или неблагоприятньгх тепловых и аэродинамических условий, в топках и камерах сгорания образуются продукты неполного сгорания, подавляющая доля, которых составляет монооксид углерода СО (угарный газ):

 

C + ½О₂ = СО

CmHn+(m+n/2) O₂=mCO+n/2H₂O

С + СО₂ = 2СО (при сжигании твердого топлива)

 

Отметим, что при условии полного горение в продуктах сгорания имеется лишь незначительное количество СО, оно увеличивается с ростом температуры в зоне горения и с увеличением концентрации свободного О₂

Оксид углерода (СО), представляет собой бесцветный, безвкусный газ, обладающий токсическим действием. Попадая в организм, СО реагирует с гемоглобином крови, препятствуя нормальному переносу кислорода, в результате возможно отравление. Исследования показали, что воздействие СО, даже в сравнительно малых количествах, может вызвать нарушение поведения, неощутимые для пострадавшего.

Окислы азота. При сжигании органических топлив азот, содержащийся в воздухе и топливе, становится реакционно-способным и, соединяясь с кислородом, образует оксиды:

 

NОх = NО + NО₂ + N₂О

 

Окислы азота, сбрасываемые с дымовыми газами, образуются как за счет высокотемпературных процессов в факеле (фиксация атмосферного азота), так и за счет окисления азотсодержащих соединений самого топлива. На выходе из трубы окислы азота дымовых газов состоят на 85-90% из N0 и на 10-15% из двуокиси азота. В атмосфере происходит быстрое окисление N0 в М0₂, что усиливает отрицательное воздействие дымовых газов на природу и живые организмы, поскольку двуокись азота более токсичен.

 

NO + О₃ = NO₂ + О₂                                                 

 

Следует выделить три источника в образовании окислов азота:

«топливные» NO_X

термические NO_X

«быстрые» NO_х.

«Топливные» NOх. Термин служит для обозначения окислов азота, образующихся из азотсодержащих компонентов топлив. В большинстве проведенных исследований была обнаружена прямо-пропорциональная зависимость концентрации образующихся окислов азота от содержания азота в исходном топливе.

 

СmНnNу + О₂ = СО₂ + Н₂О + NОх

 

Термические NОх. Эти окислы образуются за счет окисления молекулярного азота атомарным кислородом (механизм Зельдовича).

 

О₂+ М = О + О + М - 494 кДж/моль (инициирование)

О + N₂ = NO + N - 314 кДж/моль+ О₂ = NO + О + 134 кДж/моль

О + О + М = О₂ + М + 454 кДж/моль (обрыв цепи)

В большинстве топочных устройств время пребывания продуктов сгорания в топке не превышает 1-5 сек., а время достижения равновесных концентраций NО при температурах 1800-1900 К составляет 23-24 сек. Учитывая, что термические окислы образуются в узком температурном интервале, где время нахождения продуктов не превышает доли секунды, можно утверждать, что при образовании оксида азота в установках не достигаются равновесные концентрации.

«Быстрые» оксиды азота. Данный вид окислов азота образуется в зоне достаточно низких температур в результате реакции углеводородных радикалов с молекулой азота и последующим взаимодействием атомарного азота с гидроксильной группой ОН. Эта реакция протекает достаточно интенсивно даже при температурах 1600 К, когда образования термических окислов практически не происходит. Также в результате взаимодействия с пероксидным радикалом НО₂^ по реакции:

 

СО + НО^ = СО₂ + Н^                                            

Н^ + О₂ - НО^ + О^                                                   

Н^ + О₂ + М = НО₂^                                         

^{NO + НО}₂^{ = NO}₂ ^{+ ОН}                                                                                        

 

Диоксид азота NO₂ представляет собой пар буро-красною цвета, оказывающий раздражающее воздействие на дыхательные пути и приводящий к отеку легких.

Оксиды серы SO ₂ и SO _3. Содержащаяся в топливе сера является источником образования оксидов серы SO _х. В твердых топливах сера содержится в трех видах: органическая, колчеданная и сульфатная. В состав газообразных топлив сера входит только в виде Н₂S и меркаптанов. Сера в мазуте входит в состав серосодержащих органических соединений и в меньшей степени она присутствует в виде серовода и элементной серы. При сжигании сернистых топлив присутствующая сера окисляется до сернистого ангидрида.

 

СmНnSх + O₂ = CО₂ + Н₂О+ SО₂

 

Часть (1-5%) SО₂ затем доокисляется до серного ангидрида SО₃ в ходе гомогенных реакций при горении топлива SО₂ + 1/2О₂ = SО_3, а также в результате гетерогенных реакций на поверхности нагрева с участием катализаторов (V₂O₅, Fe₂O₃)

 

SО₂ + 1/2О₂ + kat = SО₃

Бенз(а) пирен. Молекулы полиароматических углеводородов (ПАУ) содержат циклы из шести атомов углерода с тремя двойными связями (так называемые бензольные ядра). Они образуются в результате неполного сгорания любых углеводородных топлив. Последнее имеет место из-за торможения реакций окисления углеводородов топлива холодными стенками топочных устройств, а также может быть вызвано неудовлетворительным смешением топлива и воздуха. Это приводит к образованию в топках (камерах сгорания) локальных окислительных зон с пониженной температурой или зон с избытком топлива. Таким образом, суммарная эмиссия ПАУ (наряду с выбросами СО) является мерой неэффективности процесса горения топлива.

Бенз(а) пирен - самый токсичный из ПАУ: обладает канцерогенными свойствами. Количество ПАУ, поступающих в атмосферу с дымовыми газами, в значительной степени зависит от качества и вида сжигаемого топлива. ПАУ гораздо меньше при сжигании жидкого топлива и минимален при сжигании газа. Он существенно зависит от режима сжигания: при химическом недожоге количество ПАУ в дымовых газах может возрастать в 10-50 раз за счет содержания их в саже. [2,11]

Непосредственное образование ПАУ происходит в реакциях пиролиза и синтеза в процессе горения топлива. Механизм их образования представляет собой сложный многостадийный процесс, который пока в достаточной мере не выяснен. Предполагается, что он имеет радикально-цепной характер и включает несколько стадий.

Схематично механизм образования бенз(а) пирена может быть представлен следующим образом:

 

CmHn ®С₂Н₂®С₄Н₆® С₂₀Н₁₂

 

или при пиролизе метана

СН₄ ®10С₂Н₂+ 60Н₂®С₂₀Н₁₂ + 34Н₂

Бенз(a) пирен C₂₀H₁₂ - твёрдое кристаллическое вещество желтого цвета с температурами плавления 179 °С и кипения 500-570°С. Поэтому в газовом тракте котлов Б(а) П в зависимости от температуры процессов сгорания может находиться в газообразном, жидком (аэрозоли) или твёрдом состояниях.