Утворення забруднень при згорянні палива

Найбільш широке застосування як паливо знаходять нафта, вугілля і природний газ. У деяких країнах також широко використовується деревина. Основними компонентами вугілля, нафти і деревини є Карбон, Гідроген і Оксиген, у менших кількостях присутні Сульфур і Нітроген, а також сліди інших речовин, наприклад сполук металів (сульфіди й оксиди).

Природний газ перед використанням звичайно очищають від сполук Сульфуру, що містяться в ньому, щоб запобігти корозії трубопроводів. Кількість сульфурвмісних сполук у паливі залежить як від його типу, так і від місця його видобутку. Вміст сірки в нафті і вугіллі може змінюватися від часток відсотка до 5%. У нафті вона практично цілком входить до складу органічних сполук (так називана органічна сірка), у вугіллі половина сірки органічна, інша-неорганічна сірка, розподілена у вигляді дрібних кристалів піриту, сульфатів заліза, магнію, кальцію й інших сполук.

При згорянні палива відбувається окиснення сполук Гідрогену і Карбону, що супроводжується виділенням енергії

Якщо кількість кисню недостатня для повного окиснення Карбону, протікає реакція

або частина утвореного СО₂ вступає в реакцію з вуглецем, утворюючи оксид:

Таким чином, при згорянні в умовах недоліку кисню може виділятися велика кількість оксиду Карбону, при цьому в порівнянні з повним згорянням зменшується кількість тепла, що виділяється.

При неповному згорянні нафти або вугілля летучі органічні сполуки відділяються, утворюючи один з компонентів диму, що особливо характерно для невеликих домашніх печей. У великих печах летучі сполуки, що мають високою горючість, возгоряються від випромінювання гарячих стінок печі і згоряють цілком до СО₂ і Н₂О.

Сірка й азот, що входять до складу вугілля і нафти, також згоряють

с утворенням оксидів

У меншому ступені в полум'ї протікає подальше окислювання

або

У складі оксидів, що утворяться в звичайному полум'ї, лише близько 1% SO₃. Хоча він є стабільною молекулою при низьких температурах, швидкість її утворення під час відсутності каталізатора незначна; при температурах, характерних для полум'я, більш стабільним є сульфур діоксид.

У процесі горіння виділяється також оксид азоту NО. Джерелом його утворення є частково азот, що міститься в паливі (за даними різних дослідників окисляється від 18 до 80% цього азоту), інша частина утвориться в результаті реакцій з атмосферним азотом у полум'ї й у прилягаючими до нього шарами. Найбільше характерніми є реакції, відомі як реакції Зельдовича:

Потрапляючи в атмосферу, оксид азоту повільно перетворюється в діоксид шляхом складних фотохімічні реакції. У спрощеному вигляді вони зводяться до реакції:

В умовах високих температур у полум'ї утворюються оксиди азоту з активних атомів азоту і кисню, а також гідроксильних радикалів, причому реакція протікає дуже швидко:

При горінні газу або нафти, що не містить сірки й азоту, оксиди азоту утворяться лише в результаті реакцій за участю атмосферного азоту. Кількість оксидів сірки в продуктах згоряння залежить тільки від вмісту сірки в паливі, концентрація ж оксидів азоту у великому ступені визначається способом спалювання палива і температурою полум'я.

Утворення твердих часток (диму) при горінні залежить від вмісту твердих непальних матеріалів у паливі і від повноти згоряння Карбону. Як незгорілі частки Карбону, так і неорганічні матеріали присутні в димах, виділюваних невеликими промисловими, комерційними або домашніми казанами і печами, коли вони працюють з перевантаженням або при неповному згорянні. Звичайно в апаратах, що працюють на нафті і газі, при оптимальних швидкостях спалювання і добре відрегульованих пальниках утвориться мало диму.

У печах, що працюють на вугіллі, особливо на розпиленому, що характерно для сучасних промислових установок, неминуче виділення значних кількостей диму, що приводить до необхідності установок очищення від аерозольних викидів. У печах старої конструкції, коли вугілля спалювали на колосникових ґратах, виділення диму значно зменшувалося.

Спалювання палива в стаціонарних системах здійснюється в камерах, де забезпечується стабільне полум'я і достатній час для протікання реакцій окислювання, при цьому основними забрудненнями в повітрі є оксиди азоту, сірки і частки диму. В даний час розроблені і широко впроваджені способи уловлювання часток диму, витяг же оксидів азоту і сірки поки розроблено слабко.

На відміну від стаціонарних систем, у двигунах внутрішнього згоряння тривалість горіння обмежена частками секунди, а холодні стінки камери не дають можливість паливу згоряти цілком, що приведе до утворення і викиду продуктів неповного згоряння — значної кількості незгорілих «активних» вуглеводнів і оксиду Карбону.

Усі процеси згоряння за участю вуглецевого палива є джерелами надходження в атмосферу СО₂, що донедавна ще не вважався забруднюючою речовиною. Думаючи, що СО₂, що утвориться при згорянні, засвоюється і перетвориться рослинами в процесі фотосинтезу. Однак рівні концентрації діоксида Карбону в порівнянні з минулим сторіччям неухильно ростуть, досягаючи приблизно 10% перевищення в порівнянні з концентрацією СО₂ в атмосфері віддалених від промисловості районів. Фактично це перевищення відповідає приблизно половині карбон діоксиду, що утвориться при згорянні викопного палива.

ЗАБРУДНЕННЯ ПОВІТРЯ ПРОМИСЛОВИМИ ВИКИДАМИ

Крім систем, що використовують спалювання палива для виробництва енергії різних видів, до джерел забруднення атмосфери відносяться також хімічна, металургійна і нафтопереробна промисловості.

Зокрема, досить інтенсивним джерелом надходження SO₂ в атмосферу є випал сульфідних мінералів: свинцевих, цинкових і мідних руд. При переробці нафти в атмосферу виділяються вуглеводні й сульфур оксиди ; хімічна промисловість є джерелом найрізноманітніших забруднюючих газоподібних речовин.