6.4. Канцерогенные вещества
Из органических веществ канцерогенной активностью обладают некоторые ароматические и, особенно, полициклические углеводороды, т.е. состоящие из нескольких бензольных колец. Из них наиболее опасным является бенз(а)пирен (синонимы – бензпирен, 3,4-бензпирен). Он может образовываться при пиролизе угля и углеводородного топлива при температурах свыше 600°С. Бенз(а)пирен присутствует в саже, в дымовых газах, выхлопах автомобилей, является продуктом крекинга нефтяных фракций и получения кокса. Он активнее всего образуется при сгорании топлива при недостатке воздуха. Большая концентрация бензпирена может образовываться в установках по сжиганию органических бытовых и производственных отходов, особенно при их неполном сжигании. Бензпирен содержится также в табачном дыме.
Бензпирен в настоящее время является одним из наиболее распространенных и опасных в канцерогенном отношении соединений. Только в США ежегодно в атмосферу выпускается до 1300 т. бензпирена. Между тем, достаточно лишь 3-5 мг этого вещества, чтобы вызвать рак легкого или кожи человека. Особенностью воздействия бензпирена на организм является длительный период (до 10 лет) между воздействием его на организм и выявлением опухолевого процесса.
Попадая в атмосферу, бенз(а)пирен сорбируется на поверхности твердых частиц продуктов сгорания топлива, прежде всего на частичках сажи размером менее 200 мкм, которая также является продуктом неполного сгорания. Поэтому признаком повышенной концентрации бенз(а)пирена в выхлопах автомобилей или дымовых газах котлов является образование сажи. Частички такого размера способны легко проникать в дыхательные пути человека.
Формула бенз(а)пирена С20Н12. Его структурная формула:
Рис. 6. Структурная формула бен(а)пирена
По некоторым данным, его образование протекает с участием ацетилена, который образуется при крекинге или пиролизе углеводородов. Сначала ацетилен димеризуется в дивинил, а затем последний полимеризуется до бенз(а)пирена:
2НС≡СН + Н2 = Н2С=СН—СН=СН2 (69)
5Н2С=СН—СН=СН2 = С20Н12 + 9Н2 (70)
Возможен вариант непосредственной полимеризации ацетилена в бенз(а)пирен, минуя стадию образования дивинила:
10НС≡СН = С20Н12 + 4Н2 (71)
Как сообщалось выше, ПДК бенз(а)пирена очень низкая. Факторы, влияющие на его образование в топках котлов при сжигании газа или жидкого топлива, вытекают как из их конструктивных особенностей, так и из режимных параметров:
Содержание кислорода в топочной камере;
Нагрузка котла;
Доля рециркуляции дымовых газов в топку;
Организация ступенчатого сжигания топлива;
Впрыск пара или воды в топочный объем.
Снижение содержания кислорода в топочной камере приводит к увеличению концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах. Поэтому важным способом снижения выбросов бенз(а)пирена является поддержание правильного значения коэффициента избытка воздуха, соответствующего конструкции данной установки.
Нагрузка котла имеет существенное влияние на содержание бенз(а)пирена. С ее уменьшением концентрация бенз(а)пирена возрастает. Это объясняется главным образом снижением температуры в топочной камере – увеличением протяженности доли пиролиза и выгорания топлива. Например, при 50%-й нагрузке котла выбросы бенз(а)пирена оказываются в 1,2 раза больше, чем при полной нагрузке.
Ввод влаги в топку уменьшает концентрацию бенз(а)пирена во всех случаях в зависимости от способа ввода в топку пара или воды. Наиболее эффективным является вод влаги в факел.
Существенного снижения выброса бенз(а)пирена можно путем совершенствования горелочных устройств и установки более современных форсунок.
Особенного внимания заслуживают методы отряхивания поверхности нагрева мазутных котлов от отложений сажи и золы, в момент которого в атмосферу поступают залповые выбросы бенз(а)пирена. Для предотвращения этих выбросов должны использоваться специальные системы очистки поверхностей нагрева.
Содержание бенз(а)пирена в дымовых газах котлов в значительной степени зависит от вида сжигаемого топлива. Наименьшее количество образуется при сжигании газа. Например, при сжигании природного газа содержание бенз(а)пирена в дымовых газах котлов достигает 1,2-5мкг/100м3. Паровой котел электростанции производительностью 1000 т. пара в час выбрасывает около 0,05г/час бенз(а)пирена.
При сжигании мазута эта величина в 5– 10 раз выше, а угольной пыли – в 20-50 раз выше.
Особенно высокие концентрации бенз(а)пирена наблюдаются в районе размещения металлургических, коксохимических и нефтеперерабатывающих предприятий. При очень плохой организации горения концентрация бенз(а)пирена может достигать колоссальных величин. Например, при отоплении прокатных печей коксовым газом были отмечены концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах до 880 мкг/м3!!! Обычная концентрация бенз(а)пирена в коксохимических и агломерационных производствах составляет 80-220мкг/100м3.
Даже на расстоянии около 1000 м. концентрация бенз(а)пирена может доходить до очень высоких величин: до 2мкг/100м3 для коксохимических предприятий, до 0,2мкг/100м3 для нефтеперерабатывающих заводов и до 5мкг/100м3 для металлургических предприятий. Это объясняет, почему в районах сосредоточения таких производств очень высока заболеваемость раком легкого, а также другими легочными болезнями.
Очень высокими могут быть концентрации бенз(а)пирена при слоевом сжигании угля в мелких котельных с неподвижной колосниковой решеткой. Из-за низкого качества горения эти концентрации могут в тысячи раз превышать концентрации бенз(а)пирена в дымовых газах современных крупных котельных и ТЭЦ, сжигающих уголь в пылевидном состоянии. Например, в США, где очень распространены индивидуальные котельные в частных домах, более 80% загрязнения атмосферы бенз(а)пиреном приходится на них, более 4% - на автотранспорт, около 4% - на нефтехимию, и около 0,1% - на ТЭЦ.
В автомобильных двигателях увеличение концентрации бенз(а)пирена в выхлопах связано с ухудшением качества горения и обычно сопровождается увеличением концентрации сажи и СО. Выход этих веществ одновременно можно снизить путем регулировки карбюраторов и других топливных систем, а также применением нейтрализаторов.