Условия образования и свойства основных загрязняющих веществ, образующихся при сжигании топлива.

Остановимся на условиях образования загрязняющих веществ при сжигании топлива.

Вредные выбросы из топочных устройств котлов содержат в основном летучую золу с недогоревшими частицами топлива (коксовый остаток), окислы серы, азота и углерода, бензапирен.

При сгорании топлива в топках котлов происходит соединение горючих элементов топлива с кислородом, сопровож­дающееся выделением теплоты:

С + 0₂ = CO₂+ 395 кДж/моль;

2Н₂ + O₂=2Н₂О + 287 кДж/моль;

С + 0,5·0₂ = СО + 111 кДж/моль.

Последняя из трех реакций характеризует неполное сгорание при недостатке кислорода (в случае заниженного коэффициента избытка воздуха или локальном недостатке кислорода при смесеобразовании в топке). В этом случае образуется не только CO и другие продукты неполно­го сгорания (водород, углеводороды и сажа), но и уменьшается коли­чество выделяющейся теплоты по сравнению с полным сгоранием. Процесс сажеобразования в топках котлов тесно связан с конструкцией топочно-горелочных устройств и режимом горения топлива.

Различают три метода сжигания топлива: диффузионный (топливо и воз­дух подают в топку раз­дельными потоками), кинетический (топливо предварительно смешивают с необходимым для полного сгорания количест­вом воздуха) и диффузионно-кинетический или смешанный. При горении протекают как ре­акции окисления, так и термического разложения органических соединений топлива, приводящие к появлению в пламени сажистых частиц. Процесс горения сажистых частиц в диффузионной области затягивается, так как они перемещаются со скоростью потока газов, а подвод окислителя осуществляется за счет молекулярной диффузии. Вы­горание сажистых частиц может прекратиться полностью при омывании пламенем холодных по­верхностей. Это явление нередко наблюдается в котельной практике, когда при наличии в дымовых газах кислорода на по­верхностях нагрева обнаруживается сажа. При этом в продуктах сгорания могут присутствовать не только сажистые частицы, но и углеводороды. В процессе горения топлив при высоких температурах углеводороды разлага­ются и образуют формальдегид, ацетилен, которые в результате реакций циклизации и дегидратации могут превратиться в канцерогенный бензапирен C₂₀H₁₂ и другие канцерогены. В условиях недостатка окислителя часть этих кан­церогенных углеводородов не сгорает и уходит с дымовыми газами (вместе с сажистыми частицами). При кинети­ческом методе сжигания топлива следует ожидать минимальное содержание канцерогенов или даже их полное отсутствие в ды­мовых газах.

Суммарный выброс оксидов серы (SO₂ и SO₃) определяется содержанием серы в топливе и не может быть исключен за счет каких-либо методов в организации топочного процесса. Сера горючая входит в состав высокомолекулярных органических соединений топлива и в виде колчеданной серы - в минеральную его часть. При сжигании сернистых топлив вся присутствующая в нем горючая сера окисляется до сернистого ангидрида SO₂:

2H₂S + 3O₂ → 2SO₂ + 2H₂O;

S + O₂ → SO₂;

4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO_2.

Часть SO₂ (1-5%) окисляется до серного ангидрида SO₃ в ходе реакций гомогенного окисления молекулярным и атомарным кислородом при горении топлива и в дымовых газах

2SO₂+O₂ →2SO₃

SO₂+O → SO₃

и гетерогенного каталитического окисления на поверхностях нагрева котла и частицах золы (катализаторы V₂O₅, Fe₂0₃)

SO₂ + 0,5O₂ → SO₃

В процессе сжигания топлива часть оксидов серы может связываться щелочными компонентами золы и шлака.

Продолжительность пребывания SO₂ в атмосфе­ре сравнительно невелика (в чистом воздухе до 4 суток). После выхода из дымовой трубы SO₂ принимает участие в каталитических, фотохимических и других реакциях, в результате которых образуются аэрозоли серной кислоты и сульфатов:

SO₂ + H₂O → H₂SO₃;

SO₂ + 0.5O₂ + hν → SO₃;

SO₃ + H₂O → H₂SO₄;

NH₃ + H₂SO₄ → (NH₄)₂SO₄ ,

где hv — квант излучения.

Суммарное коли­чество оксидов азота NOх, образующееся при горении топлив в топочных камерах, складывается из двух соста­вляющих, полученных в результате окисления кислородом азота воздуха («воздушные» оксиды) и азота топлива («топливные» оксиды):

C_NO = C_{NO возд} + C_{NO топл}

Азот топлива входит только в его органическую часть. Количество азота в твер­дом топливе составляет 1-2,5 % от горючей массы.

Первая составляющая имеет место во всех случаях независимо от состава топлива и определяется температурой процесса горения, концентрацией азота и кислорода и временем их пребывания в высокотемпературной зоне реакции. Оксиды азота NOx (на 95% NO) образуются даже при нормальном режиме горения, а при сжигании природного газа могут на 95-98% определять токсичность выбросов. При сжигании топлива при сравнительно низкой температуре (менее 1300-1500 ^оС) образование «воздушных» оксидов азота незначительно, а доля «топливных» приближается к 100%.

В процессах возгонки и пиролиза топлива часть находящегося в топливе азота переходит в газовую фазу в виде цианида водорода HCN (характерно для старых углей и мазута) и аммиака NH₃ (молодые угли). Последние в процессе горения летучих веществ реагируют по цепному механизму с образованием NO при избытке окислителей (О и ОH) и N₂ при их недостатке. С понижением температуры горения выход азота с летучими веществами уменьшается, уменьшается и выход NO. При температурах до 950 ^оС, что имеет место в топках кипящего слоя, часть NO восстанавливается на коксе до закиси азота N₂O. Ос­новными факторами, определяющими степень перехода азота топлива в окси­ды, являются: содержание азота в топливе, температурный уровень процесса, эффективная концентрация кислорода в слое топлива.

При сжигании твердого и жидкого топлива в окружающую среду поступают твердые продукты горения, которые представляют собой смесь летучей золы топлива и коксового остатка. Летучая зола- часть золы топлива, уносимая из котла дымовыми газами. При слоевом сжигании топлива доля уноса золы составляет 10-20%, основная часть зольности топлива удаляется из котла в виде шлака, некоторое количество оседает на поверхностях нагрева. Коксовый остаток (несгоревшие частицы топлива) при сжигании твердого топлива и частицы сажи при сжигании мазута - это продукты механического недожога топлива. В составе золы, кроме основных компонентов содержится большое количество токсичных микропримесей, в основном оксидов тяжелых металлов V,Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Pb, Hg, U. Содержание этих элементов в летучей золе углей достигает сотен г/т золы. Мазутная зола вообще в основном состоит из оксидов металлов, и иногда в ней обнаруживается до 25% пятиокиси ванадия V₂O₅. Причем установлено, что токсичные микропримеси золы твердого топлива сконцентрированы во фракциях с размером частиц от 3 до 15 мкм. До 85% V₂O₅ в твердых продуктах сгорания мазута содержится во фракциях с размером частиц менее 50 мкм, 50% - во фракциях до 15 мкм, а максимальная фракционная концентрации (до 10%) наблюдается для частиц ≤ 4 мкм. Таким образом в виде аэрозоля (в составе субмикронных частиц) особо токсичные микропримеси могут длительное время находиться в атмосферном воздухе и попадать в организм человека. Это необходимо учитывать при разработке устройств улавливания летучей золы и специальных мероприятий по снижению выбросов в атмосферу.

Дата добавления: 2015-08-27