Горение и загрязнение атмосферы
Основное загрязнение атмосферного воздуха связано со сжиганием органического топлива. Тепловые электрические станции и котельные, потребляя большое количество органического топлива (твердого, жидкого или газообразного), оказывают существенное влияние на загрязнение воздушного бассейна. Типичными токсичными выбросами в атмосферу для тепловых электрических станций и промышленных предприятий являются твердые частицы (пыль, зола), оксиды серы и азота, монооксид углерода, оксиды металлов, бенз(а)пирен.
Министерством здравоохранения России установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест. ПДК называется такая концентрация вредного вещества в атмосферном воздухе на уровне дыхания человека, которая не оказывает на его организм прямого или косвенного воздействия, не снижает его работоспособности, не влияет на его самочувствие. ПДК служит основным критерием санитарно-гигиенической оценки качества атмосферного воздуха. Значения ПДК для основных загрязняющих веществ, выбрасываемых энергетическими предприятиями, приведены в таблице 8.1.
Таблица 8.1
Предельно допустимые концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе населенных мест
Загрязняющее вещество | Предельно допустимая концентрация*, мг/м3 | |
максимальная разовая | средне- суточная | |
Оксид азота NO | 0,4 | 0,06 |
Диоксид азота NO2 | 0,085 | 0,04 |
Сернистый ангидрид SO2 | 0,5 | 0,05 |
Пыль (зола) нетоксичная | 0,5 | 0,15 |
Летучая зола (при массовой доле СаО≥35%) | 0,05 | 0,02 |
Монооксид углерода СО | ||
Сажа (копоть) | 0,15 | 0,05 |
Сероводород Н2S | 0,008 | - |
Аммиак NH3 | 0,2 | 0,04 |
Бенз(а)пирен С20Н12 | - | 0,1∙10-5 |
*Максимальная разовая концентрация определяется по пробам, отобранным в течение 20 минут, среднесуточная – за сутки.
Для каждого выбрасываемого в атмосферу вредного вещества должно соблюдаться условие
Сi ≤ ПДКi или Сi/ПДКi ≤ 1,
где Сi , ПДКi – приземные и предельно допустимые концентрации вредных веществ.
Кроме того, Министерством здравоохранения России установлено,
что совместное содержание в атмосфере некоторых веществ (веществ однонаправленного действия) может усиливать их токсичность. При одновременном наличии в атмосферном воздухе вредных веществ однонаправленного действия должно соблюдаться условие
n
∑ Ci /ПДКi ≤ 1.
i = 1
Установлен перечень вредных веществ однонаправленного действия. В энергетике к таким веществам относятся диоксиды азота и серы.
Оксиды азота оказывают раздражающее действие на органы дыхания, особенно на легкие. В больших концентрациях они вызывают отек легких. Основными источниками загрязнения атмосферы оксидами азота являются транспортные двигатели внутреннего сгорания, промышленные печи и котлы, тепловые электростанции, отопительные и другие бытовые приборы. При сжигании любого вида топлива оксиды азота образуются из-за того, что при определенных условиях часть азота воздуха соединяется с кислородом. Главный фактор, от которого зависит возможность образования окислов азота – температура в топке. Значительное содержание оксидов азота обнаруживается в продуктах горения при температуре в топке около 2000оС и выше. Повышение температуры в зоне горения увеличивает интенсивность расщепления молекул кислорода с образованием атомарного кислорода. Атомарный кислород может вступать в реакции с азотом топлива и воздуха, подаваемого в зону горения. При этом образуются оксиды азота:
О + N2 ↔ NO + N;
N + О2 ↔ NO + O.
Так как в топливе содержится незначительное количество азота, то концентрации образовавшихся оксидов азота в продуктах сгорания мало зависят от вида топлива. В продуктах сгорания практически всех видов топлив оксиды азота представлены, как правило, только одним NO.
Максимальный выход NO получается при горении смеси с составом, близким к стехиометрической смеси. После выхода из дымовой трубы в атмосфере основная часть NO в сравнительно короткий промежуток времени при воздействии кислорода окружающего воздуха переходит в NО2по реакции:
2NO + О2=2NО2+ 188 МДж/моль.
Образование оксидов серы возможно только при наличии в сжигаемом топливе серосодержащих соеднений. Сера твердого топлива подразделяется на органическую, пиритную и сульфатную. Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Пиритная сера представляет собой ее соединения с металлами, чаще с железом (FeS2). Органическая и пиритная сера участвуют в горении. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов СаSО4 и FеSО4 и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается. Сера в жидком топливе содержится в виде сераорганических соединений, элементарной серы и сероводорода Н2S. Все они участвуют в горении. Сера в газовомтопливе содержится в основном в виде сероводорода. В процессе сжигания сернистого топлива сера (сернистые соединения) окисляется до диоксида серы по реакциям:
S + О2 = SО2 ,
2Н2S + 3О2 = 2SО2 + 2Н2О.
При высокой температуре в зоне горения атомарный кислород может вступать в реакцию с диоксидом серы с образованием серного ангидрида SО3. В свою очередь, серный ангидрид вступает в реакцию с водяным паром, содержащимся в продуктах сгорания, с образованием паров серной кислоты:
SО3 + Н2О = Н2SО4.
Оксиды серы и пары серной кислоты оказывают губительное действие на животный и растительный мир, вызывают интенсивную сернокислотную коррозию металла, в частности низкотемпературных поверхностей нагрева котельных агрегатов и в первую очередь воздухоподогревателя.
Сажа С, оксид углерода СО и углеводороды СmHn относятся к продуктам незавершенного (неполного) горения топлива и обнаруживаются либо при отсутствии окислителя, либо при его недостатке в зоне горения, а также при неудовлетворительном смешении топлива и окислителя.
Процесс сажеобразования в топочном устройстве тесно связан с конструкцией топки, видом сжигаемого топлива и режимом горения. При диффузионном горении всегда протекают как реакции полного окисления и восстановления, так и реакции термического разложения углеводородов, приводящие к появлению в пламени мелкодисперсных сажистых частиц, которые абсорбируют ряд других продуктов неполного горения (в том числе и канцерогенных углеводородов). Раскаляясь в пламени, эти частицы придают ему ярко-желтую окраску. Процесс горения сажистых частиц является сравнительно медленным, так как эти частицы перемещаются со скоростью потока и их контакт с окислителем осуществляется только за счет медленной молекулярной диффузии. Это приводит к тому, что выгораниесажистых частиц затягивается и может прекратиться полностью при выходе в низкотемпературную область факела.
Оксид углерода образуется при неполном сгорании всех видов топлива. Он равномерно распространяется в воздухе помещений, так как плотность его почти равна плотности воздуха. Оксид углерода является отравляющим газом нарушая питание организма кислородом. Большинство несчастных случаев при использовании топлива в быту происходит от отравления оксидом углерода. На образование оксида углерода в топочном устройстве влияет неудовлетворительное смешение топлива с воздухом, недостаток кислорода воздуха и охлаждение зоны горения.
Полициклические ароматические углеводороды, многие из которых являются канцерогенными, образуются в высокотемпературной зоне топки в результате термического разложения углеводородов. В дальнейшем при недостатке окислителя часть этих полициклических ароматических углеводородов не сгорает и уходит с дымовыми газами, в частности, абсорбируясь в сажистые частицы. В организм человека наиболее сильнодействующий бенз(а)пирен может попасть с вдыхаемым воздухом, Поэтому уменьшение его содержания в уходящих газах приводит к снижению злокачественных заболеваний.
Контрольные вопросы
- Какие токсичные вещества образуются при горении топлива?
- Опишите условия, при которых образуются оксиды азота при горении.
- Опишите механизм появления оксидов серы в продуктах сгорания.
- Назовите факторы, влияющие на повышенный выход оксидов азота при горении.
- Опишите механизм появления частичек сажи в продуктах сгорания.
- Каким образом появляется оксид углерода в продуктах сгорания?
- Опишите условия, при которых образуются канцерогенные углеводороды в продуктах сгорания.
Дата добавления: 2020-04-12; просмотров: 600;