МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Методическое пособие для проведения лабораторной работы

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ ПРИ ГОРЕНИИ ТОПЛИВА

по курсу « ЭКОЛОГИЯ»

Кафедра тим

Составитель д. т. н. проф. Буторина И. В.

Санкт- Петербург

2014

1.Цели и задачи

Целью проведения данной лабораторной работы изучение процесса образования монооксидов углерода и азота в ходе сжигания газообразного топлива в нагревательной печи.

В ходе выполнения данной лабораторной работы студент должен

знать:

• химические реакции образования СО и NO;

• каково токсичное его токсическое действие этих газов на организм человека?

• каковы условия образования этих газов в процессах горения ?

• какие факторы влияют на содержание СО и NO в дымовых газах?

• как влияет образование СО на энергоемкость металлургических процессов?

уметь:

- записать реакции горения углеродного топлива газа;

- рассчитать теоретический расход воздуха необходимый для полного сжигания углеродного топлива;

- определить действительный расход воздуха, подаваемый на горелку;

- определить содержание СО и NO в отходящих газах и помощью прибора testo 300.

2. Теоретическая часть

Процесс горения топлива сопровождается выбросами токсичных газов,

основными из которых являются моноксиды углерода и азота, а при наличии серы в топливе еще и оксид серы. На долю этих оксидов приходится основная масса всех выбросов токсичных газов в металлургическом производстве.

Монооксидд углерода- угарный газ является высокотоксичным веществом. При кратковременном контакте с концентрациями СО >0,03мг/м³ у здоровых людей появляется чувство усталости и головокружения, длительное вдыхание СО приводит к летальному исходу. Выбросы СО не только загрязняют окружающую среду, но и увеличивают энергоемкость производства продукции, так как тепловой эффект горения углерода до СО втрое ниже, чем при сгорании его до СО₂.

Оксиды азота и серы раздражают легкие и дыхательные пути, благоприятствует возникновению в них воспалительных процессов. Длительное воздействие малых концентраций оксида азота и серы может уничтожить лёгочную ткань, вызывая эмфизему. Под воздействием оксидов азота снижается кровяное давление и ухудшается зрение.

Монооксид углерода - угарный газ является продуктом неполного горения углеродного топлива

Реакция полного горения метана ( основной составляющей природного газа) протекает по реакции:

СН₄+2О₂= СО₂+2Н₂О (1)

Реакция неполного горения имеет вид:

СН₄+0,5О₂= СО+Н₂ (2)

Дефицит кислорода может возникнуть в результате недостаточной его подачи в зону горения и плохих условий перемешивания окислителя с топливом. Количество окислителя, подаваемого в зону горения, принято оценивать по величине коэффициента расхода воздуха, под которым понимают отношение объема воздуха, действительно поданного в зону горения (L_д), к теоретическому, рассчитанному по стехиометрическим соотношениям ( L_т )

( 3 )

В дымовых газах одновременно присутствуют оба оксида углерода. При малых значениях , превалирует монооксид углерода, при больших диоксид углерода.

Недостаток кислорода в зоне горения может быть связан с с плохими условиями топлива и окислителя. Хорошие условия смешения обеспечиваются в ижекционных горелках или горелках оснащенных специальными смесителями, для таких горелок коэффициент расхода воздуха принимаю равным = 1,05- 1,1, что позволяет снижать содержание СО в газах практически до нуля. Двухпроводные горелки типа «труба в трубе» обеспечивают худшие условия перемешивания топлива и окислителя. Для сокращения содержания СО в дымовых газах, отходящих от этих горелок, коэффициент расхода воздуха принимают = 1,1- 1,2. Самый высокий коэффициент расхода воздуха = 1,4 при сжигании твердого и жидкого топлива, что однако не обеспечивает полного сгорания топлива до СО.

При отсутствии дефицита кислорода в зоне горения, на образование угарного газа оказывают влияние такие факторы, как температура в зоне реакции, повышение которой ускоряет процесс догорания СО до СО₂ и наличие системы рециркуляции газов в топочном устройстве или печном пространстве, что дает возможность для протекания реакции догорания.

Образование оксида углерода расчету не поддается и в связи с этим определяется экспериментальным путем с помощью газоанализаторов, индикаторных трубок и с помощью оптических приборов.

Оксид азота. Установлено, что в зоне горения образуется только монооксид азота NO, а доля высших оксидов азота не превышает 1-3 %. Образование моноокисда происходит за счет взаимодействия компонентов воздуха - азота и кислорода при повышении его температуры. Реакция взаимодействия имеет вид:

N₂+O₂=2 NO (4 )

Определить количество монооксида азота , образующегося при горении топлива можно экспериментальным и расчетным путем по полуимперической формуле, полученной на основании термодинамических соотношений:

( 5 )

где - мощность выброса монооксида азота, в г/с, - коэффициент расхода воздуха; - теоретический расход воздуха подаваемого на горение в м³/м³ ; - константа равновесия реакции образования моноокисда азота; k – соотношение между азотом и кислородом в окислительной смеси равное для воздуха k=3,76.

Константа равновесия реакции образования монооксида азота может быть определена по формуле:

lgK_p = ( 6 )

где Т- абсолютная температура в реакционной зоне (К).

Определение содержания оксида азота в дымовых газах экспериментальным способом осуществляется газоанализаторов, индикаторных трубок и приборов оптического и других принципов действия.