5.2.4. Снижение вредных выбросов и сбросной теплоты
При сжигании углеводородных топлив выделяется диоксид углерода (СО2), годовая эмиссия которого составляет 600…1000 млрд. т/год. Основное коли-чество СО2 производится природными источниками, и только примерно 3…3,5 % - хозяйственной деятельностью человечества. СО2 совместно с другими газовыми выбросами - СН4, галогенированными углеводами, озоном, водяным паром, препятствуют отводу теплоты от поверхности нашей планеты, повышая ее сред-нюю температуру. В результате нарушается тепловое равновесие атмосферы и создаются условия для возникновения так называемого «парникового эффекта», в котором главное влияние оказывает рост концентрации СО2.в атмосфере. Сниже-ние выбросов СО2 является важной технологической проблемой. Решение этой проблемы возможно следующими методами:
- уменьшением количества сжигаемого углеводородного топлива, за счет повышения топливной экономичности теплоэнергетических установок и тепло-вых двигателей;
- применением топлив с малым содержанием углерода (сжатый и сжижен-ный газы, спирты и эфиры), использованием водорода;
- переходом к широкому использованию нетрадиционных источников энергии (энергия солнца, ветра, геотермальная, гидроэнергия, атомная энергия).
В составе вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, высокой токсич-ностью обладают оксиды азота (NOx). Количество образовавшихся NOx в факеле составляет 0,2…1,5 г/м3 (напомним, что ПДК диоксида азота NO2 составляет 0,085…0,04 мг/м3). После выхода из дымовой трубы оксид азота NO, образу-ющийся в топке или камере сгорания, переходит в диоксид азота (NO2) по реакции 2NO + O2 ↔ 2NO2 за счет окисления атмосферным кислородом:
В зоне горения всех топлив (при температуре около 2100…2200К) оксиды азота образуются по трем механизмам:
- по «термическому» - в результате взаимодействия атомов азота с атомами и радикалами О, ОН, N, причем выход NOx зависит от температуры горения;
- по «быстрому», при взаимодействии атомов азота с радикалами СН, СН2 при горении газового топлива; в этом случае выход NOx имеет место в начале зоны горения топливного факела:
- по «топливному», когда выход NOx зависит от содержания азота в топливе и от величины коэффициента избытка воздуха.
Уменьшение скорости образования и концентрации NOx в продуктах сгора-ния обеспечивается следующими способами:
- снижением общего уровня температур в камере сгорания в котельной топке путем рециркуляции продуктов сгорания с температурой менее 400 оС, подачей водяного пара или распыленной воды в зону горения или в всасываемый воздух;
- снижением максимальной температуры в зоне горения за счет ступенчатой подачи воздуха и снижения содержания кислорода;
- уменьшением суммарного избытка окислителя, в допустимых пределах, без увеличения продуктов химического и механического недожога.
На рис. 5.11 показано устройство «испаритель топлива на основе тепловой трубы», которое используется в автомобильном двигателе для передачи теплоты от выхлопных газов (2) в зону выхода топливно-воздушной смеси после дрос-сельной заслонки (1). В результате тепловым потоком с мощностью 100 Вт и температурой теплоносителя в тепловой трубе 190оС обеспечивается полное испарение топлива и воспламенение даже бедной смеси при отношении «воздух-топливо» 12:1.
Испытаниями было установлено, что в продуктах сгорания концентрация NOx составила 1…2%, СО – около 10…12% и НхСу – 7…12 %. Концентрации токсичных выбросов значительно снизились в сравнении с базовым вариантом.
Рис. 5.11. испаритель топлива на основе тепловой трубы
В последние годы, в связи с ужесточением норм токсичности отработавших газов, выбрасываемых тепловыми двигателями в окружающую среду, широко применяются различного вида каталитические нейтрализаторы. Основным эле-ментом нейтрализатора является блочный катализатор, выполненный в виде свернутой в рулон многослойной металлической сетки или в виде керамического стержня с большим количеством отверстий. Методом вакуумной вытяжки на поверхность стенки и отверстий наносится слой каталитического материала, в основном из металлов платиновой группы. Эффективность очистки отработавших газов бензиновых и дизельных двигателей катализаторами, при температуре 300 оС и выше, составляет: по оксиду углерода до 85 %, по углеводородам до 70 %, по альдегидам до 50 %, Одновременно происходит снижение дымности на 15 %. В зависимости от мощности двигателей нейтрализаторы отличаются габаритами и присоединительными размерами, а также количеством катализирующего мате-риала.
Вопросы для самопроверки по теме 5.2
1. Как работает тепловой насос?
2. В чем заключается принцип работы тепловой трубы?
3. В чем состоит «парниковый эффект»? Как снизить выбросы диоксида углерода?
4. От чего зависят выбросы оксидов азота? Как их снизить?
5. Как подавляются выбросы золы при работе угольных ТЭС?