Лекция 8. 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	5	3
Сажа (копоть)	0,15	0,05
Сероводород Н2S	0,008	-
Аммиак NH3	0,2	0,04

*Максимальная разовая концентрация определяется по пробам, отобранным в течение 20 минут, среднесуточная – за сутки.

Для каждого выбрасываемого в атмосферу вредного вещества должно соблюдаться условие

С_i ≤ ПДК_i или С_i/ПДК_i ≤ 1,

где С_i , ПДК_i – 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

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 2000^оС 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 NО₂ по 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 газовом топливе 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 SО_3. 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 С_mH_n 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 выгорание сажистых 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

1. Какие токсичные вещества образуются при горении топлива?

2. Опишите условия, при которых образуются оксиды азота при горении.

3. Опишите механизм появления оксидов серы в продуктах сгорания.

4. Назовите факторы, влияющие на повышенный выход оксидов азота при горении.

5. Опишите механизм появления частичек сажи в продуктах сгорания.

6. Каким образом появляется оксид углерода в продуктах сгорания?

7. Опишите условия, при которых образуются канцерогенные углеводороды в продуктах сгорания.