Образованием оксидов азота

Конструкция газогорелочных устройств также оказывает влияние на

выход оксидов азота за счет изменения геометрических размеров факела,

максимальной температуры пламени, времени пребывания газов в зоне высоких

температур и других факторов.

Топливосжигающие устройства, разработанные ранее без учета экологических

характеристик, отличаются, как правило, повышенным выходом оксидов азота. Это

обусловлено тем, что газогорелочные устройства разрабатывались с позиции обеспечения

максимальной полноты сгорания топлив. Они конструировались таким образом, чтобы факел

был компактным, ядро факела концентрировалось вблизи устья горелочного устройства.

Таким образом достигались максимально возможные температуры в факеле и полнота

сгорания топлива осуществлялась при минимальном избытке воздуха.

Анализ механизма синтеза оксидов азота показывает, что именно эти

условия (высокие температуры, локализация факела, минимальный избыток 103

воздуха) способствуют их максимальному образованию [24]. В конечном итоге

такое сжигание топлива и привело к высоким фоновым концентрациям оксидов

азота в крупных промышленных центрах.

При разработке новых горелочных устройств используются те же методы

подавления образования оксидов азота, которые были изложены выше:

рециркуляция продуктов сгорания, ступенчатое сжигание, снижение

коэффициента избытка воздуха.

Рассмотрим особенности конструктивного решения горелок с

пониженным образованием оксидов азота:

- горелки со ступенчатой подачей воздуха для получения растянутого

факела (см. рис. 3.22); в этой горелке за счет ступенчатой подачи окислителя

увеличивается длина факела, возрастает его поверхность и, как следствие,

теплоотдача от факела, что приводит к снижению его температуры, затрудняет

образование оксидов азота.

- микрофакельные горелки; наличие множества малых факелов

способствует их быстрому охлаждению и, как следствие, пониженному

образованию оксидов азота;

- горелки с рециркуляцией продуктов сгорания к устью факела.

Конструкция горелки выполнена так, что факел растягивается в ширину за счет

рециркуляции части продуктов сгорания к устью факела. Выход оксидов азота 104

снижается за счет балластировки зоны горения рециркулирующими газами и

снижения максимальной температуры факела.

Возможность режимных технологических способов подавления

образования NОХ ограничена условиями поддержания теплового КПД

установок и режима эксплуатации агрегата, а в некоторых случаях и

недостаточной степенью снижения содержания оксидов азота в уходящих газах.

Для получения высокой степени очистки технологические методы

целесообразно применять в комплексных схемах в сочетании с экозащитным

оборудованием

7. При сжигании топлива образуются следующие токсичные вещества:

оксид углерода СО (4-й класс опасности), диоксид серы SО2 (3-й класс

опасности), диоксид азота NO2 (2-й класс опасности), полициклические

углеводороды (главным образом бенз(а)пирен С20Н12 (1-й класс опасности)), а

также взвешенные вещества (зола, сажа и коксовые остатки), токсичность

которых зависит от содержащихся в них примесей.

В уходящих газах промышленных печей кроме указанных выше

содержатся вредные вещества, задействованные в технологических процессах

или образовавшиеся в топке при действии высоких температур. Например,

при плавке цветных металлов выделяются дополнительно фториды HF,

цианиды HZn, большое количество твёрдых частиц и др.

1.1. Токсичные ингредиенты продуктов сгорания органического

топлива

Воздействие процессов сжигания топлива на качество атмосферного

воздуха зависит от состава используемого топлива и способа его сжигания.

Элементарный состав рабочей массы топлива

С + Н + S + О + N + W + А = 100% r r r r r r r

(1.1)

Все элементы топлива участвуют в образовании токсичных веществ в

процессе горения. Наименьшую экологическую опасность представляет

сжигание топлив, состоящих из углерода Сr и водорода Нr

и не содержащих

серы Sr

, топливного азота Nr

, минеральной составляющей Аr (например,

природного газа).

Продукты полного сгорания углеводородной части топлив – СО2 и Н2О

не являются токсичными. Тем не менее процесс даже полного сгорания

топлива оказывает негативное воздействие на окружающую среду: 8

− возрастание содержания СО2 в атмосфере способствует изменению

температурных условий на планете вследствие парникового эффекта;

− увеличивается тепловое загрязнение атмосферы вследствие

достаточно высокой температуры уходящих газов;

− для процессов горения топлива потребляется большой объём

кислорода из зоны дыхания человека.

В случае неполного сгорания воздушный бассейн загрязняется

веществами, большинство из которых токсичны (СО, сажа, углеводороды, в

том числе бенз(а)пирен и др.)

При сжигании всех видов топлив в условиях высоких температур обра-

зуются оксиды азота – NOX (NO + NO2). Содержание NO составляет 95-98%,

а NO2 только 2-5%. При движении по газовому тракту соотношение NOx не

изменяется, но при выбросе в атмосферу более 70% NO окисляется до NO2.

Образование NOx в топочной камере увеличивается при наличии азота N

r

в

рабочей массе топлива.

Содержание серы (Sr

) в составе топлива приводит к образованию в

топочной камере и выбросу в атмосферу оксидов SOX (SO2+SO3), причём SO2

–(98 –99)% SOX, а SO3 – (1-2)%S OX.

Минеральная составляющая Аr обуславливает выброс частиц золы с

продуктами сгорания в воздушный бассейн.

Свойства вредных веществ. Гигиеническая характеристика

Оксид углерода. Оксид углерода (СО) – бесцветный горючий газ, не

имеющий запаха, слаборастворимый в воде [16-18]. Молекулярная масса –

28.01, плотность – 1,25 г/л (при t = 0°С и р = 1 атм). Токсичность СО связана с

его способностью реагировать с гемоглобином крови со скоростью почти в

200 раз превышающей скорость связывания кислорода гемоглобином. Отсюда

– развитие гипоксии (кислородного голодания). Оксид углерода относится к 4

классу опасности. ПДКМР = 5 мг/м3

, ПДКСС = 3 мг/м3

[15]. 9

Углеводороды. При неполном сжигании топлив образуются

углеводороды различных классов. Наибольшую экологическую опасность

представляют высокомолекулярные соединения – полиядерные ароматичес-

кие углеводороды (ПАУ). Доказано, что ПАУ с числом бензольных колец ≥ 5

обладают канцерогенным эффектом, т.е. способствуют возникновению и

развитию онкологических заболеваний. Наиболее сильным и достаточно

изученным канцерогеном является соединение с пятью бензольными коль-

цами – С20Н12 – бенз(а)пирен (БП) [19, 21, 22]. Молекулярная масса – 252.

Образованный при сжигании бенз(а)пирен сорбируется на частичках сажи

или других твердых частиц. В чистом виде БП – твёрдое кристаллическое

вещество желтоватого цвета. Особая опасность бенз(а)пирена заключается в

том, что он способен накапливаться в организме, подобно радиактивным

веществам. Кроме того, БП обладает высокой химической стойкостью, а,

следовательно, распространяется на значительные расстояния от источника

выделения. Поступивший в воздушный бассейн с продуктами сгорания

топлив БП оседает на почву, растительность, а затем, смытый атмосферными

осадками, загрязняет водный бассейн. Исследования показывают, что БП

фиксируется практически во всех компонентах окружающей среды [23].

БП воздействует по мере накопления, поэтому для него нормируется

среднесуточная величина ПДК. Класс опасности – 1, ПДКСС = 0,1 мкг/100м3

(в атмосферном воздухе).

Сажа. Сажа – мелкодисперсное малореакционное вещество (размер

частиц - менее 1 мкм) черного цвета. Воздействие чистой сажи на организм –

механическое. Мелкодисперсная сажа, частицы которой соразмерны с пора-

ми легких человека, осаждается на поверхности легких. Это приводит к

стеснению дыхания. Класс опасности сажи [15] – 3, ПДКМР = 0,15 мг/м3

;

ПДКСС = 0,05 мг/м3

. Особая опасность сажи в том, что она обладает высокой

сорбционной способностью по отношению к парообразному бенз/а/пирену. В

этом случае сажа окажется канцерогенно активной. 10

Оксиды азота. При сжигании топлив оксиды азота образуются в виде

N2O, NO и NO2. Сумму оксидов азота обозначают как NOХ. Гемоксид азота

(N2O) образуется в начальном участке факела, а затем окисляется до оксида

азота (NO), то есть не выбрасывается в атмосферу с продуктами сгорания.

В топочной камере образуются преимущественно оксиды азота (NO) в

количестве 92 – 98 % от NOХ.

Диоксиды азота (NO2) составляют всего (2 – 7)% от суммы NOХ.

Однако на выходе из дымовой трубы, т.е в атмосфере, около 80% NO

превращаются в более токсичные – NO2.

Оксид азота NO – бесцветный, негорючий газ, слаборастворимый в

воде. Молекулярная масса – 30,1; плотность – 1,34 г/л. Класс опасности – 3;

ПДКМР = 0,4 мг/м3

; ПДКСС =

0,06 мг/м3

.

Диоксид азота (NO2) – негорючий газ оранжево-красновато-бурого

цвета (в зависимости от концентрации), с удушливым запахом. Молекулярная

масса – 46,3; плотность – 2,06 г/л. Класс опасности – 3; ПДКМР = 0,2 мг/м3

;

ПДКСС =

0,04 мг/м3

.

Все оксиды азота оказывают негативное воздействие на здоровье

человека. Диоксид азота наиболее токсичный из группы NOХ. Концентрация в

15 мг/м3

вызывает раздражение глаз; концентрация 200–300 мг/м3

опасна даже

при кратковременном вдыхании. Попадая в легкие и соединяясь с гемолоби-

ном крови, оксиды азота могут вызвать отек лёгкого и понизить кровяное

давление (образуется метгемоглобин).

Особая опасность оксидов азота в том, что они отнесены к

коканцерогенам – веществам, стимулирующим в сочетании с канцерогенами

развитие онкологических заболеваний.

Диоксид азота оказывает сильное негативное воздействие на раститель-

ность. Концентрация (4-6) мг/м3

NO2 вызывает острое повреждение растений.

Длительное воздействие воздуха с концентрацией NO2 около 2 мг/м3

при-

приводит к хлорозу растений. Более низкие концентрации, не вызывая

видимого вреда, снижают интенсивность роста растений. 11

Оксиды азота, поглощая естественную радиацию как в ультра-

фиолетовой, так и в видимой части спектра, снижают прозрачность

атмосферы и способствуют образованию фотохимического тумана – смога.

Взаимодействие оксидов азота с углеводородами в атмосферном

воздухе приводит к образованию веществ, которые в результате дальнейших

превращений образуют пероксиацилнитраты (ПАН), обладающие еще более

сильным токсическим действием.

Соединения серы. При сжигании серосодержащих топлив соединения

серы образуются в виде сернистого ангидрида (SO2), серного ангидрида (SO3)

и паров серной кислоты (H2SO4). Оксиды серы объединяют в группу SOХ. В

топочной камере образуется преимущественно SO2. Количество SO2

составляет (98-99)% от SOХ, а (SO3) - всего (1-2)%. Газообразный SO3 при

движению по газовому тракту котлов в присутствии водяных паров образует

пары серной кислоты - H2SO4.

Наиболее токсичным из сернистых соединений является диоксид серы -

сернистый ангидрид SO2 - ядовитый, удушливый газ с резким запахом.

Молекулярная масса – 64, плотность – 2,86 г/л. Класс опасности – 3; ПДКМР =

0,5 мг/м3

; ПДКСС = 0,05 мг/м3

.

Диоксид серы (SO2) обладает резко раздражающим действием на

дыхательные пути, вызывает заболевания бронхиальной системы, астму и др.

заболевания дыхательных органов.

Особая опасность SO2 заключается в том, что, как и диоксид азота

(NO2), этот газ отнесен к группе коканцерогенов, усиливающих воздействие

канцерогенных веществ на организм человека. Кроме того, SO2 обладает

суммацией токсичного воздействия с диоксидом азота NO2 и некоторыми

другими токсичными веществами.

Все сернистые вещества разрушительно воздействуют на растительный

мир и даже на строительные конструкции. Токсичное действие SO2 на

растения связано с повреждением поверхности листьев и особенно хвои

(лиственные растения ежегодно сбрасывают листву) из-за разрушения 12

хлорофилла. Содержание в воздухе всего (0,2-0,3) мг/м3

сернистого газа

приводит к усыханию сосны за 2-3 года из-за нарушения фотосинтеза и

дыхания хвои. Снижается урожайность сельскохозяйственных культур и

повышается кислотность почв.

Присутствие в воздухе сернистых соединений ускоряет коррозию

металлических конструкций, воздействуют на строительные материалы:

кирпич, известняк, мрамор, шифер и др. Особую опасность представляют

кислотные дожди - атмосферные осадки в этом случае являются слабыми

растворами серной, азотной и азотистой кислот.

Частицы золы. Зола – мелкодисперсные частицы серого цвета, нерас

творимые в воде. Состав золы зависит от вида сжигаемого топлива.

Воздействие золы несколько отличается от воздействия нейтральной пыли за

счет примесей, содержащихся в золе. Если нейтральная пыль (ПДКМР = 0,5

мг/м3

) только механически осаждается в дыхательном тракте, то многие виды

золы - токсичны. Например, зола донецких, канско-ачинских и экибастуз-

ских углей содержит примеси свинца, мышьяка, ванадия, хрома, цинка; зола

всех углей (в т.ч. кузнецких и подмосковных) содержит свободный оксид

кремния. Зола мазута содержит пентаксид ванадия. Отсюда – более жесткие

нормативы ПДКМР золы твердого топлива - 0,3 мг/м3

. Воздействие золы

мазута на окружающую среду рассчитывается по содержанию пентаксида

ванадия (нормируется ПДКСС = 0,002 мг/м3

).