Закономірності утворення екологічно шкідливих речовин під час горіння палива

Склад продуктів згорання і кількісні співвідношення в них окремих компонентів залежать від властивостей і складу палива, а також від сту­пеня завершеності реакції горіння. У цьому можна переконатися на при­кладі спалювання природного газу, що, як відомо, переважно складається із суми вуглеводнів C_nH_m . Крім вуглеводнів C_nH_m, у природному газі, що надходить зі скважини, міститься деяка кількість вологи Н₂О і сірковод­ню H₂S. Природний газ перед подачею споживачеві очищують, видаляю­чи з нього вологу і сірководень.

Узагальнене рівняння згорання вуглеводню з утворенням теоретично­го складу продуктів згорання має вигляд:

,

де - коефіцієнт надлишку повітря; п, т - кількість атомів у молекулі певного вуглеводню; o₂ - об'ємна частка кисню в окиснювачі, %.

У результаті згорання вуглеводнів C_nH_m на одну молекулу паливної компоненти утворюється п молекул вуглекислоти СО₂ і т/2 молекул во­дяної пари Н₂О. Названі компоненти належать до так званих парникових газів, збільшення концентрації яких визначає зміну умови теплової рівно­ваги на поверхні Землі. Крім того, у місцях великої концентрації валових викидів водяної пари можуть бути негативні наслідки, пов'язані з локаль­ною зміною мікроклімату.

Крім продуктів повного згорання СО₂ і Н₂О, азоту N₂ і надлишкової кіль­кості кисню О₂ у димових газах можуть міститися продукти неповного згорання у вигляді оксиду вуглецю CO, що в побуті називають чадним га­зом, водню Н₂ і незгорілих вуглеводнів С_xH_yО_z. Одним із токсичних проду­ктів неповного згорання є формальдегід СНОН. Останній характеризуєть­ся токсичністю, що у сотні разів більша за токсичність CO.

Серед безлічі реакцій, що відбуваються в зоні горіння, є так звані проміжні реакції, у результаті яких можуть утворюватися сажа С і арома­тичні дуже токсичні вуглеводні, основним представником яких є бенз(а)пірен С₂₀Н₁₂.

Сажисті частинки потрапляють у простір у вигляді аерозолів і зі збіль­шенням їх концентрації негативно діють на дихальні органи людини.

Ще більшою екологічною небезпекою для навколишнього середови­ща є одночасний викид сажі та бенз(а)пірену. Це зумовлено тим, що, ма­ючи високі адсорбційні властивості, частинки сажі концентрують на сво­їй поверхні бенз(а)пірен, сильнодіючий канцерогенний ефект якого спри­чиняє ракові захворювання в населення.

Серед проміжних реакцій у зоні горіння відбуваються також реакції дисоціації. Наприклад, реакція дисоціації кисню

О₂ 2O, (3.2)

у результаті якої з однієї молекули утвориться два атоми кисню.

Атоми кисню О характеризуються підвищеною хімічною активністю і, зіткнувшись зі зазвичай нейтральною молекулою азоту N₂ при високих температурах, сприяють реакції утворення так званого термічного оксиду азоту NO

N₂ + О NO + N. (3.3 )

У результаті реакції (3.3) утвориться активний атом азоту N, що реа­гує з киснем з утворенням додаткового оксиду азоту і хімічно активного атомарного кисню:

О₂ + N NO + О. (3.4)

У продуктах згорання утвориться відповідна кількість оксидів азоту, концентрація яких залежить від багатьох чинників і насамперед від рівня температур у зоні горіння. Тому такі оксиди азоту називають термічні. Теорію їх утворення вперше розробив Я. Б. Зельдович.

У процесі спалювання рідкого і твердого палива, як і з природного газу, утворюються компоненти продуктів повного згорання СО₂ і Н₂О, що є пар­никовими газами, а також оксиди сірки SO₂ і частково SO₃. Оксиди сірки також належать до парникових газів, але найбільша їх екологічна небезпека полягає у високій токсичності і здатності утворювати кислотні дощі.

Природа утворення оксидів сірки під час спалювання рідкого і твер­дого палива різна.

Під час спалювання рідкого палива одним із джерел утворення SO₂ є сполуки, що містять органічну сірку, наприклад метилмеркаптан - CH3S. Крім того, до складу макромолекули рідкого і твердого палива вхо­дить тіофен C₄H₄S, що також є джерелом утворення SO₂.

Якщо відомо елементарний склад палива, то з хімічного рівняння

S + О₂ = SO₂ (3.5)

видно, що у процесі спалювання 1 кг палива утвориться 2S^p нa 100 кг діок-сиду сірки (де S^p- уміст сірки в робочій масі палива, %).

До складу рідкого і твердого палива входять також азот палива N^p у вигляді сполук типу піролу C₄H₅N і піридину C₅H₅N. Ці сполуки мо­жуть бути додатковим джерелом утворення так званих паливних оксидів азоту NO і NO₂.

Під час спалювання рідкого і твердого палива, порівняно з природним га­зом, додатково утворюються не лише оксиди сірки і паливні оксиди азоту, але й виникає проблема з утворенням золи. Це особливо актуально щодо спалювання високозольного твердого палива, зольність якого A^p може перевищувати 30 %. Спалювання твердого палива спричиняє дві екологічні проблеми:

- викиди частинок золи у вигляді аерозолю в атмосферу;

- нагромадження великої кількості твердих відходів у вигляді золо-
шлакових відвалів поблизу джерела спалювання твердого палива.

Наявність золошлакових відвалів призводить до теплового забруд­нення літосфери й атмосфери, до спотворення ландшафту і забруднення ґрунтових вод. Потрапляння відповідної до рівня q₄ кількості незгорілого палива подовжує окисні та інші реакції всередині відвального об'єму з утворенням «букета» токсичних газів, що забруднюють атмосферу.

Оксиди азоту NO_X і сірчистий ангідрид SO₂ - найпоширеніші токсичні сполуки, що викидаються в атмосферу під час спалювання органічного палива в котлах. Рівень викидів NO_X і S0₂ істотно залежить від виду і складу палива. Так, утворення сірчистого ангідриду SO₂ в димових газах залежить від сірчистості палива, а його валовий викид визначається спів­відношенням

M_SО2 = 0,02ВS^p(l -)(1 - ), (3.6)

де В - витрата палива, кг/с; S^p - уміст сірки в робочій масі палива, %; -частка оксидів сірки, що зв'язується леткою золою в котлі (зміню­ється в діапазоні 0,02.. .0,8); - частка оксидів сірки, що вловлюється у вологому золовловлювачі разом з твердими частинками (залежить від лужності сірки в робочій масі палива і може змінюватися в діапазоні 0..0,8, досягаючи найвищого рівня в умовах великої лужності води та малої сірчистості палива).

Валовий викид оксидів азоту визначається співвідношенням

, (3.7)

де - теплота згорання палива, МДж/кг; - питомий викид оксидів азоту NO і NO₂ у перерахунку на NO₂, г/МДж.

Останній показник змінюється в діапазоні 0,12.. .0,25, г/МДж.

У зв'язку з високою токсичністю NO* в енергетиці різних країн існу­ють обмеження щодо максимальних їх концентрацій у продуктах згоран­ня органічних палив.

Виходячи з рівня питомого викиду /c_No₂ можна перейти до визначення концентрації оксидів азоту (г/м³) за допомогою співвідношення

NO₂=/, (3-8)

де - об'єм димових газів для коефіцієнта надлишку повітря а, м³/кг.

Високий ступінь екологічного ризику під час спалювання органічного палива зумовлює потребу реалізувати заходи щодо охорони навколиш­нього середовища від шкідливих викидів. Ці заходи мають різноплановий характер і різний ступінь ефективності.

Знизити NO_X можна:

- зменшенням коефіцієнта надлишку повітря в топці котла;

- збільшенням рециркуляції димових газів;

- зменшенням одиничної потужності пальників;

- застосування стадійного (або ступеневого) горіння факела в топці
котла;

- подача води або водяної пари в зону горіння.

За наявності відповідних можливостей ефективним засобом є викорис­тання екологічно чистого палива (наприклад, краще природний газ, ніж мазут і тверде паливо). Такий метод належить до групи активних методів охорони навколишнього середовища.

До пасивних методів можна віднести встановлення обмежень на гра­ничнодопустимі концентрації, визначення мінімальнодопустимої висоти димової труби, що забезпечує дотримання норм приземних граничнодо­пустимих концентрацій відповідних викидів у населеній місцевості (табл. 3.3).