XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Проблема снижения загрязнения природной среды давно перешагнула границы отдельных государств и даже целых континентов, приобрела между­народный характер и стала общей для всех стран Мира. Вредные вещества, по­падающие в атмосферу, разносятся воздушными потоками на огромные про­странства, не считаясь с государственными границами.

Крупнейшими загрязнителями атмосферы являются продукты сгора­ния тепловых электрических станций, котельных и двигателей внутреннего сгорания [1]. При сжигании органических топлив в атмосферу с дымовыми газами котлов попадает большое количество токсичных веществ, таких как оксиды азота и се­ры, зола и т.д. В настоящее время в теплоэнергетике России доля при­родного газа и мазута составляет более 73 % от всего сжигаемого орга­нического топлива [1], причем в крупных промышленных городах евро­пейской части России доля природного газа и мазута в топливном ба­лансе приближается к 100 %.

Основным токсичным компонентом, образующимся при сжигании природного газа и мазута в топках паровых и водогрейных котлов, яв­ляются оксиды азота . Оксиды азота оказывают негативное воздей­ствие на здоровье людей, в частности на органы дыхания. И хотя коли­чество оксидов азота, образующихся естественным путем, намного пре­вышает выбросы от результатов человеческой деятельности, необходи­мо учитывать, что антропогенные выбросы оксидов азота сосредоточе­ны в местах хозяйственной деятельности человека. Поэтому концентра­ции в городских районах на один-два порядка выше естественной фоновой концентрации [2].

По данным источника [3], урожайность сельскохозяйственных культур снижается в среднем на 15,4% при расстоянии 5 км от источника вредных выбросов и на 31,8% при расстоянии 2...3 км. Исследования в США, показали, что при значительном загрязнении атмосферы повышается восприимчивость сельскохозяйственных культур к болезням, происходит преждевременное опадение листвы, нарушаются сроки цветения, урожайность таких культур, как карто­фель, горох, цитрусовые, снижается примерно вдвое [4].

Все оксиды азота, взаимодействуя с парами воды в воздухе, образуют азотистую и азотную кислоты, которые разрушают легочную ткань, вызывая хронические заболевания. При концентрациях в воздухе более 0,0013% действуют как острый раздражитель слизистых оболочек, а при концентрациях 0,004...0,008% - могут вызвать отек легких [4]. Наибольшую опасность оксиды азота представляют в качестве активного компонента смога. Причем, токсикологический эффект воздействия на человека в десять раз выше, чем у монооксида углерода .

В процессе сжигания органических топлив в топках котельных установок (КУ) с дымовыми газами в окружающую среду попадает большое количество токсичных веществ, таких как оксиды азота и се­ры и т д. [1]. Основным токсичным компонентом, образующимся при сжигании природного газа и мазута в топках паровых и водогрейных котлов, являются оксиды азота . Большая доля образовавшихся в про­дуктах сгорания (93...99 %) прихо­дится на монооксид (оксид) азота [2]. Диоксид и гемиок­сид азота образуются в значительно меньших количествах.

Образование оксида азота при сжигании органических топлив происходит как за счет окисления азота воздуха , так и за счет окисления азота, содержащегося в топливе. Извест­ны три механизма, по которым происходит образование оксидов азота: термический, быстрый и топливный. При образовании термических и быстрых источником азота является воздух, а в случае образова­ния топливных ‒ азотсодержащие составляющие топлива [1].

Реакции образования термических характеризуются высокой энергией активации, поэтому образование оксидов азота происходит в области высоких температур, превышающих 1800 K [5]. Концен­трация термических интенсивно возрастает от начала зоны горения и достигает наибольших значений непосредственно за зоной макси­мальных температур. Далее по длине факела концентрация ок­сидов азота практически не изменяется [5].

Образование термических определяют следующие основные факторы: температура в зоне горения, коэффициент избытка воздуха и время пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур. Время достижения равновесной концентрации оксида азота в диапа­зоне температур 1800... 1900 К составляет примерно 23...4 с. В топках котельных установок время пребывания продуктов сгорания значитель­но меньше [2], и, следовательно, равновесные концентрации там не дос­тигаются. Поэтому увеличение времени пребывания в зоне горения приводит почти к прямо пропорциональному возрастанию количества образовавшихся [6].

Снижение температуры га­зов в зоне горения с интенси­фикацией процесса и вследст­вие этого снижение образова­ния могут быть достиг­нуты при сжигании водомазут­ных эмульсий, которых обычно приготавливают в ульт­развуковых эмульгаторах. При сжигании водомазутных эмуль­сий из-за дополнительного дробления капель за счет мгновен­ного испарения влаги и разрыва капель (микровзрывов) диа­метр капель жидкого топлива резко уменьшается ‒ до 2 ‒ 5 мкм. Однако сокращение времени пребывания капель мазута в высокотемпературной зоне за счет уменьшения раз­меров капель резко снижает эмиссию . В то же время сжигание топлив­ной эмульсии, содержащей 10 % воды, приводит к снижению КПД котлоагрегата примерно на 0,7 %; большее количество воды в топливе не приводит к существенному снижению .

Уменьшение эмиссии может быть достигнуто впрыски­ванием воды в воздушные каналы горелок или в воздуховоды за регенеративным воздухоподогревателем. Вода может быть заменена паром или пароводяной смесью. Так, подача воды в количестве 6 ‒ 10 % от расхода ма­зута уменьшает выбросы ,в атмосферу примерно на 20  30%, в тоже время КПД котла уменьшается за счет потерь тепла с уходя­щими газами на 0,5%. Увеличение подачи большего количества влаги [7] обычно не приводить к дальнейшему уменьшению содержания .

Оксиды азота в топочном пространстве образуются как за счет содержания азота в топливе, так и за счет азота воздуха,, поступающего на горение. Эмиссия увеличивается пропор­ционально содержанию азота в топливе. Увеличение размеров капель распыленного жидкого топлива уменьшает образование как топливных, так и термических (при затягивании го­рения со снижением температурных уровней по высоте топочной камеры).

Образование топливных в большей степени зависит от концентрации кислорода в зоне горения, чем от температуры топочного процесса. Снижение за счет уменьшения коэффициента избытка воздуха α уже практически невозможно, поэтому нашли применение рециркуляция дымовых газов и двухстадийное сжигание топлива. В обоих случаях снижение выхода достигается снижением как температурного уровня топочного процесса, так и концентрации кислорода в зоне горе­ния. Оба способа реализуются за счет увеличения высоты то­почной камеры. Часто эти способы используются одновременно. Недостатком рециркуляции кроме затягивания факела является снижение КПД котлоагрегата.

Таким образом, одним из наиболее вредных компонентов продуктов сгорания органических топлив, учитывая их токсичность и массовый выброс, является оксид азота. Уровень их эмиссии в настоящее время является одним из основных технико-экономических показателей паровых и водогрейных котлов. В связи с этим разработка новых малотоксичных способов сжигания органических топлив с незначительными капитальными и эксплуатационными затратами в котельных установках является актуальной задачей.

Литература

1. Сигал И.Я. Защита воздушного бассейна при сжигании топлива. Л.: Недра, 1988. – 312 с.

2. Котлер В.Р. Окислы азота в дымовых газах котлов. М.: Энергоиздат, 1987. – 144 с.

3. Балацкий О.Ф. Экономика чистого воздуха. Киев: Наука думка, 1979. – 295 с.

4. Лазарева В.Н. и др. Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. В 3 т. Химия. 1976.

5. Росляков П.В., Закиров И.А. Нестехиометрическое сжигание природного газа и мазута на тепловых электростанциях. – М.: Издательство МЭИ, 2001. – 144с.

6. Чигира Н.А. Образование и разложение загрязняющих веществ в пламени: Пер. с англ./М.: Машиностроение, 1981. – 407 с.

7. Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов. Л. Недра, 1989. – 304 с.

Код для цитирования: Скопировать