7. Математическая модель образования токсичных

ВЕЩЕСТВ

Образование и превращения соединений серы. Сера входит в состав мазута и угля в виде сложных сероорганических со­единений. При сжигании топлива сера из этих соединений через множество промежуточных реакций может переходить в газовую фазу в виде диоксида и триоксида серы SO₂ и SO₃, сероводорода Н₂S, а также других соединений и радикалов: SO, SH, S₂O, S, S₂. Доля каждого соединения зависит в основном от избытка воздуха и от температуры. На начальном участке горения топлива, когда воздух еще не успевает перемешаться с топливом, а температура не высо­ка (t < 1100 °С), практически вся сера пе­реходит в Н₂S. Далее сероводород окисляется по реакции

2Н₂S + 3О₂ = 2Н₂О + 2SO₂

и при нормальном количестве воздуха в продуктах сгорания его не остается. Однако до сгорания он может вызывать коррозию экранов топки.

Из двух оксидов серы, образующихся при ее газификации, наиболее опа­сен для котла триоксид серы SО₃, т.к., соединяясь с парами воды, он дает па­ры серной кислоты: Н₂О + SО₃ = Н₂SО₄. Конденсируясь на поверхностях нагрева в зоне низких температур, она вызы­вает их сильную коррозию.

Как показывают исследования, количество SО₃ в газах после первичной газификации серы может существенно увеличиваться. Есть два пути такого увеличения: окисление SО₂ в SО₃ в гомогенных реакциях и каталитическое окисление SО₂ в SО₃ на горячих поверхностях нагрева.

Образование оксидов азота. При сжигании органического топлива в паровых котлах непосредственно в топочной камере образуется практически только монооксид азота (NО = 95 – 100 %, остальное – диоксид азота NО₂). Далее по газовому тракту котла проис­ходит доокисление NО в NО₂. Этот процесс продолжается далее в атмосфере за счет озона, в итоге в NО₂ превращается порядка 40 – 70 % первоначально образо­вавшегося в топке NО. Механизм образования NО_Х в процессе горения включа­ет более ста реакций и до конца еще не изучен.

3. 8. Математическая модель массообмена

Движущей силой массопереноса могут быть различные эффекты, обусловленные разностью концентраций вещества, разной восприимчивостью к действию электрических или магнитных сил, разностью плотностей компонентов смеси и т.д.

Если масса переносится механизмом диффузии, то математическая формулировка такой задачи вполне аналогична задаче теплопроводности.

.

В стационарной постановке такая задача описывается уравнением Лапласа.

При конвективном переносе массы следует решать систему уравнений, которая должна быть дополнена соответствующими граничными условиями. Среди них должно присутствовать уравнение, определяющее источники и стоки массы. Источниками массы могут, в частности, быть химические реакции. Причем здесь необходимо строго отличать гомогенные и гетерогенные (с участием материала стенки) химические реакции. Гомогенные реакции следует учитывать, вводя соответствующие "источниковые" члены непосредственно в дифференциальные уравнения, а гетерогенные реакции следует учитывать с помощью граничных условий.

Задачи массопереноса намного сложнее задач конвективного теплообмена, так как увеличивается число уравнений, а коэффициенты переноса следует принимать зависящими от температуры и концентрации химических компонентов, что делает задачу нелинейной.

Для массообмена использует следующую систему обозначений. Масса обозначается символом . Производная по времени обозначается точкой над символом. Производные по координатам обозначаются одним штрихом , производные по поверхности – двумя штрихами, а производные по объему – тремя штрихами. Для рассматриваемой величины символ обозначает массовый расход (точка сверху) через единицу поверхности (два штриха) и представляет собой, таким образом, скорость массопереноса, считается положительной, если полный поток массы направлен в рассматриваемую фазу. Так же вводится понятия "рассматриваемой" и "соседней" фаз. Вектор плотности полного потока массы обозначается и включает все компоненты смеси. Вследствие диффузии скорости отдельных компонентов могут различаться. Вектор скорости смеси будем обозначать . Плотность смеси будем обозначать . Проекции скорости будут обозначаться . – конвективная составляющая плотности потока j-го компонента на поверхности раздела фаз и под ней. – мощность источника j-го компонента, образующегося в некоторой точке пограничного слоя вследствие химической реакции, кг/(м³ с). Для этой величины выполняется равенство . – массовая концентрация химического элемента , кг элемента /кг смеси. – стехиометрическая постоянная элемента в соединении j, кг элемента /кг j-го компонента.

С учетом принятого правила знаков получаем выражение для формального определения энтальпии переносимого вещества

.