Расчет образования монооксида углерода

СО не только загрязняет окружающую среду, но и увеличивает энергоёмкость производства продукции, так как является следствием неполного сгорания топлива.

Механизм образования оксида углерода принимают по схеме свободного кислорода: считают, что вначале углерод окисляется до СО по реакции:

а затем остатками О₂ СО окисляется до СО₂:

Согласно термодинамическим закономерностям, процесс образования СО в процессе окисления углерода может иметь место только при условии недостатка О₂ в зоне горения. Дефицит кислорода может возникнуть в результате малой подачи кислорода в зону горения и при плохих условиях перемешивания его с топливом.

Рассмотрим процесс образования СО в широком диапазоне коэффициента расхода воздуха α. Расчет образования СО при горении топлива, где единственным горючим компонентом является углерод, представлен в таблице 4.1.

,

(4.3)

где α_Д – действительный расход воздуха, подаваемый на горение;

α_Т – теоретический расход воздуха, подаваемый на полное горение топлива до СО₂.

Так как по реакции расход О₂ на СО в 2 раза меньше, то:

– при α≤ 0,5 образуется только СО;

–0,5 < α <1,0 образуется и СО и СО₂;

–α ≥ 1 – в идеальных условиях углерод должен полностью сгореть до СО₂.

Таблица 4.1 – Расчет образования оксидов углерода при горении топлива

	СО	СО2	О2
α≤ 0,5	4,66 α
0,5 < α <1,0	4,66 С (1- α)	3,66 С (2 α – 1)
α ≥ 1		3,66 С	2,66 С (α – 1)

Наряду с СО продуктами неполного сгорания топлива являются альдегиды (главным образом формальдегид НСНО), органические кислоты (СН₃СООН), и углеводороды по реакциям:

Чем больше в выбросах СО, тем больше формадьдегида и других продуктов неполного сгорания топлива присутствует в дымовых газах.

Содержание СО, формальдегида, углеводородов ПАУ, в том числе канцерогенных веществ, в частности БП, на улицах больших городов определяется на 75-95 % автотранспортом (Москва – 96,3 %, Санкт-Петербург – 88,1 %, углеводородов соответственно 64 и 79 %). Это положение характерно для большинства крупных городов, кроме городов с развитой металлургической промышленностью, где количество выбросов СО и углеводородов от металлургического производства и автотранспорта примерно одинаково.

Небольшие отопительные установки выбрасывают СО до 20 раз больше на единицу тепла, чем промышленные котельные, и в 500 раз больше, чем электростанции. Выбросы СО превышают 2 % от массы сжигаемого твердого топлива, а при сжигании мазута и природного газа незначительны. При переводе двигателя с бензина на газ выброс СО снижается в 10-15 раз, углеводородов – в 5-10 раз, оксидов азота – в 2 раза.

При сжигании топлива в теплоэнергетических установках и промышленных печах наименьший выход СО и других продуктов неполного сгорания имеет место при сжигании природного газа (концентраци СО в дымовых газах обычно не более 0,02 %), особенно на крупных ТЭЦ. При сжигании газа и мазута в малых отопительных установках выход СО может быть несколько большим, но его концентрация в дмовых газах все же не превышает 0,05 %. В отдельных случаях однако при сжигании доменного газа в отопительных простенках коксовых батарей и при сушке ковшей и желобов концентрация СО в дымовых газах может быть весьма высокой – 15 000 – 32 000 мг/м³ (концентрация в газе до 1 %).

При сжигании твердого топлива концентрация СО в дымовых газах обычно выше (до 0,5 %), при этом она максимальна при сжигании твердого топлива в малых отопительных установках, оснащенных слоевыми немеханизированными топками.

Расчет выбросов СО при сжигании топлива (т/год, г/с) производится по формуле:

,

(4.8)

где В – расход топлива, т/год, (тыс.м³/год);

С_СО – выход СО при сжигании топлива (кг/т или кг/тыс.м):

(4.9)

q₃ – потери теплоты вследствие химической неполноты сгорания, %;

q₄ – потери теплоты вследствие механической неполноты сгорания топлива, %;

(q₃ и q₄зависят от эксплуатационных данных топочных устройств и изменяются примерно в следующих пределах:

–q₃ = 05-2 % – большие значения для твердых топлив при неподвижной решетке и для доменного газа, меньшие – для природного газа и мазута;

–q₄ от 0,5 (мазуты и газы) до 5-15 % и более (для твердых топлив) – максимальные значения для рядовых углей и отсутствии средств острого дутья и возврата уноса);

R – коэффициент, учитывающий долю потери тепла вследствие химической неполноты сгорания топлива (равен 1 для твердого топлива, 0,5 для газа и 0,65 для мазута);

– теплота сгорания топлива, МДж/кг или МДж/м³.

Одним из наиболее вредных соединения (в силу канцерогенной активности) из продуктов неполного сгорания топлива является бенз[а]пирен (БП, С₂₀Н₁₂). Содержание БП в районе промышленных предприятий представлено в таблице 4.2.

Таблица 4.2 – Содержание БП в атмосферном воздухе в районе предприятий

По существующим гипотезам, при горении метана и других углеводородов образование БП может происходить за счет их пиролиза с образованием в качестве промежуточного продукта ацетилена и других продуктов ацетиленового ряда:

С₂₀Н₁₂ – конденсированный углеводород. Известно 2 примера структурной формулы: 1,2-Бензпирен (бенз[е]пирен неканцерогенный) и 3,4-Бензпирен (бенз[а]пирен – канцерогенное вещество).

В 1957 г. Международным союзом по аналитической химии была предложена буквенная система обозначения, положенная в структуру полицикических ароматических углеводородов (ПАУ). Введение ее преследовало цель упростить систему нумерации ПАУ, но особого успеха не принесло.

При сжигании твердых топлив образование БП может происходить как за счет непосредственного пиролиза последних (например, в прямом коксовом газе – продукте пиролиза каменных углей содержится по данным Шаприцкого 99 мг/м³ БП), который при недосттке воздуха не полностью сгорает, так и за счет полимеризации различных органических радикалов (например, дифенила, дивинила, сажевых зародышей), образующихся при пиролизе летучих (по гипотезе Лаврова). При снижении выхода летучих веществ из угля выход БП должен существенно снижаться.

Количество БП в дымовых газах существенно зависит прежде всего от коэффициента избытка воздуха α. Чем выше М, тем меньше БП в дымовых газах, а следовательно чем лучше смешение топлива с воздухом, тем меньше образуется БП[7, с. 10; 9, с. 48].

В выбросы в атмосферу БП наибольший вклад вносят малые отопительные установки (по американским данным, их доля составляет 82,5 %, тогда как доля электростанций – только 0,1 %, автотранспорта – 4,3 %). По данным киевских гигиенистов, при слоевом сжигании угля в малометражных котлах концентрация БП в продуктах сгорания составляет 150-170 мкг/100 м³, что с учетом низких труб (5-8 м) создает в приземном слое атмосферы концентрации БП, в несколько раз превышающие ПДК. БП активно сорбируется на пылевых и сажистых частицах,которые оседают в приземном слое атмосферы (в случае отсутствия их улавливания в системах газоочистки или неудовлетворительной их работы) и резко увеличивают вредный эффект их воздействия.

Таким образом, общей особенностью продуктов неполного сгорания топлив является прямая их зависимость от качества процессов сжигания, выраженного через величины потерь теплоты от химической и механической неполноты горения, которые зависят в свою очередь от качества топлива, конструкции и уровня эксплуатации топочных устройств.

Точный теоретический расчет входа СО с аглогазами выполнить невозможно из-за отсутствия достоверных значений констант скорости реакций образования СО. По приблизительным данным, соотношение СО/СО₂ в аглогазах составляет 1/6 (1/4).

Тогда формула для приближенного определения количества СО (кг/т агломерата) имеет вид:

(4.11)

где С_ш, С_а, С_п – количество углерода в шихте, агломерате и пыли (кг/т агломерата);

СО/СО₂ – соотношение объемного содержания СО и СО₂ в аглогазах;

28 и 12 – молекулярные массы СО и С.

В среднем удельный выброс СО составляет 2-25 кг/т агломерата, что обеспечивает его концентрацию в аглогазах 8-15 г/м³ (0,3-3 %).

Для снижения выбросов СО и углеводородов необходимо:

– увеличение полноты сгорания топлива в котлах малой мощности;

– обеспечение дожигания конвертерных и ваграночных газов;

– обеспечение предотвращение попадания СО в атмосферу из межконусного пространства доменной печи;

– использование методов термического и каталитического окисления, т.е. очистки газов в агломерационном производстве;

– не допускать возгорания торфяников, лесов, свалок, травы.

В качестве справочной информации рассмотрим концентрацию оксида углерода и БП в выхлопных газах бензинового двигателя (таблица 4.3).

Основные задачи по снижению содержания СО в выбросах двигателей внутреннего сгорания:

– регулирование карбюраторов и организация контроля;

– широкое производство и применение каталитических нейтрализаторов (как США, Япония, ФРГ);

– перевод части автотранспорта на сжатый природный газ, сжиженный газ, смешанное топливо (бензин + газ);

– постепенный перевод части автотранспорта на электрические и другие двигатели.

Таблица 4.3 – Концентрация оксида углерода и БП в выхлопных газах бензинового двигателя