Образование оксдов азота при горении

В результате хозяйственной деятельности человека в ат­мосферу Земли выбрасывается значительное количество вредных веществ: золы, оксидов серы, углерода, азота. Наи­большей токсичностью из них обладает оксид азота NO_х. Так, максимальная разовая предельно допустимая концентра­ция NO₂ (ПДКмр) равна 0,085 мг/м³ по сравнению с 0,5 мг/м³ для SO₂ и пыли и 5 мг/м³ для СО. Ежегодно в атмосферу поступает более 830 млн т NO_х. Из этого количества 770 млн т появляются вследствие различных атмосферных явлений. Эти оксиды азота равномерно распределены в атмосфере Земли, концентрация их в воздухе незначительна и составляет без­вредную фоновую концентрацию. Около 2,4 млн. т оксидов азота выбрасывается в атмосферу вследствие деятельности химической промышленности, 51 млн т — при сжигании орга­нического топлива. Из них примерно 40 % приходится на долю тепловых электростанций. Эти оксиды азота имеют локальный характер, концентрация их особенно высока в районе расположения топливосжигающих установок.

Оксиды азота могут образовываться в зоне горения всех топлив по трем механизмам:

1) «термическому», когда окись азота образуется в результате взаимодействия азота с атомами и радикалами О, N и ОН диссоциированных молекул: выход NО в этом случае значительно зависит от температуры горения;

2) «быстрому», действующему в начале зоны горения; образование NО происходит при взаимодействии азота с радикалами СН, СН₂; этот механизм определяет минимальный выход оксида азота при горении газового топлива, слабо зависит от температуры и в значительной степени – от структуры молекулы топлива;

3) «топливному», зависящему от содержания азота в топливеи коэффициента избытка воздуха.

Ме­тоды снижения скорости реакции образования «термических» NО и тем самым уменьшения их концентрации в продуктах горения:

1) снижение общего уровня температур в топке путем ре­циркуляции продуктов сгорания с t < 400 °C, подачи пара и воды в зону горения и в дутьевой воздух;

2) снижение максимальных локальных температур в топке путем подачи газов рециркуляции, пара и воды в зоны максимальных температур;

3) уменьшение максимальной температуры и содержания кислорода в зоне максимальных температур путем организации ступенчатого горения;

4) уменьшение общего избытка окислителя в пределах, допустимых по условиям возникновения продуктов химиче­ского и механического недожога и бензопирена.

Для образования «быстрых» оксидов азота можно отметить следующее:

- быстрое окисление азота во фронте пламени характер­ но для углеводородов и углеродсодержащих топлив;

- «быстрые» оксиды азота образуются на участке фронта пламени около 10 % его ширины, причем процесс образования начинается уже у передней границы фронта пла­мени в области температур около 1000 К;

- наиболее характерными признаками образования «быстрых» оксидов азота являются: а) кратковременность процесса их образования; б) слабая зависимость выхода NO от температуры горения; в) сильная зависимость выхода NO от и смещение пика концентраций в область богатых горючих смесей;

- выход «быстрых» NO при горении природного газа со­ставляет 100... 120 мг/м³ и не может быть снижен ступенча­тым горением;

- задача снижения «быстрых» NO_х пока не решена.

По результатам исследования «топливных» окси­дов азота можно сделать следующие выводы:

- необходимо учитывать влияние процесса окисления азотсодержащих соединений топлива на общее содержание NO_х;

- при сжигании низкокачественных топлив выход «топ­ливных» NO_х более значителен при низких температурах го­рения (Т_max<1800 К); при сжигании высокореакционных топлив в крупных установках влияние «топливных» NО_х меньше;

- образование «топливных» NO_х − происходит на начальном участке факела в области образования «быстрых» NO и до образования «термических» NO;

- абсолютный выход «топливных» NO тем больше, чем больше содержание азота в топливе;

- степень перехода азота топлива в NO быстро увеличи­вается с ростом .

Вопросы для самопроверки

1. Что понимается под химической обратимостью реакции? Какие факторы оказывают влияние на химическое равновесие данной реакции?

2. Как записывается закон действующих масс? Дайте определение скорости прямой и обратной реакции.

3. Объясните зависимость химического равновесия и скорости реакции от температуры.

4. Что такое константа химического равновесия и константа скорости реакции?

5. Запишите и поясните закон Аррениуса.

6. Назовите и поясните условия, при которых возможно воспламенение и устойчивое горение.

7. Что понимается под диссоциацией водяного пара и углекислоты?

8. Какое влияние на скорость реакции оказывает давление?

9. Какое влияние на скорость реакции оказывает наличие инертной примеси в реагирующих веществах?

10. Что понимается под цепными реакциями горения?

11. Объясните основные положения стационарной теории теплового самовоспламенения.

12. Назовите и поясните механизмы образования оксидов азота при горении органических топлив.

13. Изобразите схему затопленной изотермической турбулентной струи.

14. Чем обусловлено нарастание расхода жидкости по длине струи?

15. Какая струя называется неизотермической?

16. Изобразите схему распространения пламени.

17. Какое влияние на скорость распространения пламени оказывают давление, состав и температура смеси?

18. Изобразите схему пламени в турбулентном потоке.

19. Поясните основные положения аэродинамики и гидрогазодинамики кипящего слоя.