Воздействие на атмосферу при использовании различных видов топлив

Содержание

1. Воздействие на атмосферу  при использовании различных  видов топлив..3

2. Источники и механизм образования оксидов азота при сжигании органических топлив………………………………………………………………..…5

3. Факторы, влияющие на  образование оксидов азота………………………8

4. Методы снижения содержания  оксидов азота в продуктах  сгорания……..14

5. Продукты неполного  сгорания топлива (СО и недогоревшие  углеводороды)…………………………………………………………………………17

Заключение………………………………………………………………………21

Список использованных источников…………………………………………22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Воздействие  на атмосферу при использовании  различных видов топлив

 

1.1 Воздействие на атмосферу при использовании твердого топлива.

 

Предприятия угольной промышленности оказывают существенное отрицательное влияние на водные и земельные ресурсы. Основные источники выброса вредных веществ в атмосферу – промышленные, вентиляционные и аспирационные системы шахт и обогатительных фабрик и др.

Загрязнение воздушного бассейна в процессе открытой и подземной добычи угля, транспортировки и обогащения каменного угля вызвано буровзрывными работами, работой двигателей внутреннего сгорания и котельных, пылением угольных складов и породных отвалов и другими источниками.

Экологические технологии сжигания топлива. Традиционный диффузионный способ сжигания даже высококачественных углеводородных топлив приводит к загрязнению окружающей атмосферы главным образом оксидами азота и канцерогенными веществами. В связи с этим необходимы экологически чистые технологии сжигания этих видов топлива: с высоким качеством распыления и смешения с воздухом до зоны горения и интенсивным сжиганием обедненной, предварительно перемешанной, топливно-воздушной смеси, оптимальная с термохимической точки зрения камера сжигания (КС) должна обеспечивать предварительное испарение топлива, полное и равномерное перемешивание его паров с воздухом и устойчивое сжигание обедненной горючей смеси при минимальном времени её пребывания в зоне горения.

В этом плане гораздо эффективнее традиционного диффузного гибридный способ сжигания, представляющий комбинацию диффузной зоны с каналом для предварительного испарения и перемешивания топлива с воздухом.

При сжигании угля в псевдосжиженном слое выброс в атмосферу соединений серы уменьшается на 95%, а окислов азота – на 70%.

 

1.2 Влияние на атмосферу при использовании жидкого топлива.

В своё время нефть потеснила уголь и вышла на первое место в мировом энергетическом балансе. Однако это чревато определёнными экологическими проблемами.

При сжигании жидких топлив (мазута) с дымовыми газами в атмосферный воздух поступают сернистый и серный ангидриды, оксиды азота, газообразные и твёрдые продукты неполного сгорания топлива, соединения ванадия, солей натрия, а также вещества, удаляемые с поверхности котлов при чистке. С экологических позиций жидкое топливо обладает более «гигиеническими» свойствами: отпадает проблема золоотвалов, которые занимает значительные территории, исключают их полезное использование и являются источником постоянных загрязнений атмосферы и районе станции из-за уноса золы с ветрами. В продуктах сгорания жидких видов топлива отсутствует летучая зола.

 

1.3 Влияние на атмосферу при использовании природного газа.

По экологическим критериям природный газ – наиболее оптимальное топливо. В продуктах сгорания отсутствуют зола, копоть и такие канцерогены, как бензопирен.

При сжигании газа единственным существенным загрязнителем атмосферы остаются окислы азота. Однако выброс окислов азота при сжигании на ТЭС природного газа в среднем на 20 процентов ниже, чем при сжигании угля. Это объясняется не свойствам самого топлива, а особенностями процессов их сжигания. Коэффициент избытка воздуха при сжигании угля ниже, чем при сжигании природного газа. Таким образом, природный газ – наиболее экологически чистый вид энергетического топлива и по выделению оксидов азота в процессе горения.

 

 

 

2. Источники и механизм образования оксидов азота при сжигании органических топлив

Различают три механизма образования оксидов азота: термический, быстрый и топливный.

При образовании термических и быстрых оксидов азота – источником азота является воздух, а в случае образования топливных оксидов азота - азотсодержащие составляющие топлива.

1) Термические оксиды азота образуются в результате реакции окисления атмосферного азота свободным кислородом в процессе горения. Основное количество термических оксидов азота образуется в узком диапазоне температур, близком к максимальной температуре в зоне активного горения. Механизм образования термических оксидов азота был предложен Я.Б. Зельдовичем и включает следующие реакции:

O + N2 = NO +N,

N + O2 = NO + O

Позднее он был дополнен реакцией атомарного азота с гидроксилом и получил название расширенного механизма Я.Б. Зельдовича:

OH+ N=NO+H

Основными факторами, влияющими на выход термических оксидов азота, являются: температура в зоне генерации NOх, концентрация атомарного кислорода и время пребывания продуктов сгорания в этой зоне. При этом концентрация оксидов азота линейно увеличивается с увеличением концентрации атомарного кислорода и экспоненциально с увеличением температуры.

2) Быстрые оксиды азота образуются при сравнительно низких температурах в результате реакций углеводородных радикалов с азотом воздуха и последующего взаимодействия азотсодержащих и кислородсодержащих радикалов. Этот метод образования оксидов протекает с очень высокой скоростью (отсюда их название - быстрые). Образование быстрых оксидов, прежде всего, зависит от концентрации радикалов в корневой части факела. При окислительном пламени (горение происходит с избытком кислорода) их вклад незначителен, но при сжигании обогащенных смесей и при низкотемпературном горении их доля может достигать 25% от общего содержания оксидов азота. Механизм образования “быстрых” NOх описан С. Фенимором:

CH+ N2= HCN+N,

HCN+ O2=NO+ ...

3) Топливные оксиды азота образуются из азотосодержащих соединений топлива при окислении кислородом уже при температуре 900-1000 К.

Топливные оксиды азота не образуются при сжигании природного газа (так как он, за редким исключением, не содержит связанного азота), но зато при сжигании мазута и особенно всех видов твердого топлива (торфа, сланцев, бурых и каменных углей) доля топливных NOх весьма велика, а в некоторых случаях составляет 100% общего выброса NOх.

В следующей таблице приведены средние показатели образования NOx при сжигании различного топлива.

Выделение окислов азота (NOx) в типичных подогревателях (печах)

Тип печи		Выделение окислов азота, ppm (мг/нм3)
Подача воздуха	топливо	Термический NOx	Топливный NOx	Общий NOxа
самотяга	Природный газб	53,4 (126)	–	53,4 (126)
дутье		107,7 (254)	–	107,7 (254)
самотяга	Дистиллированное жидкое топливо	86,6 (213)	66,7 (164)	153,3 (377)
	Остаток (мазут)	86,6 (213)	311,4 (766)	398 (979)
дутье	Дистиллят	160,6 (395)	66,7 (164)	227,3 (559)
	мазут	160,6 (395)	311,4 (766)	472 (1161)
самотяга	Пиролиз, природный газ	56,8 (134)	–	56,8 (134)
	Пиролиз, водородный газв	81,9 (193)	–	81,9 (193)

 

Примечание:  
а) общий NOx = термический NOx+топливный NOx; 
б) в подогревателях на заводском газе с содержанием водорода до 50% об. образование NOx могут быть до 20% выше, чем при сжигании обычного природного газа; 
в) водородный газ – газ с содержанием водорода 50% об. и выше. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Факторы, влияющие на образование оксидов азота

Учитывая условия образования оксидов азота при горении топлив по вышеприведенным схемам, можно выделить следующие факторы, влияющие на образование NOx:

• локальные температуры газа в камере сгорания;

• время пребывания газа в зоне высоких температур;

• уровни концентрации кислорода и азота в зоне горения;

• температура воздуха на входе в камеру сгорания.

При оценке реальных выбросов NOx следует вносить корректировки в виде поправочных коэффициентов, учитывающих влияние отдельных факторов на образование NOx.

Можно оценить реальное (ожидаемое) образование NOx в реальной топке печи по следующей формуле:

 

  N0x=(NOx)базвых×k1×k2×k3×k4×k5×k6, где

k1 – коэффициент, учитывающий влияние температуры камеры сгорания на образование NOx;

k2 – коэффициент, учитывающий влияние избытка воздуха на выбросы NOx;

k3 – коэффициент, учитывающий влияние содержания водорода в топливном газе на выбросы NOx;

k4 – коэффициент, учитывающий содержание С3Н8 в топливе на образование NOx;

k5 – коэффициент, учитывающий влияние температуры воздуха на образование NOx;

k6 – коэффициент, учитывающий содержание азота в жидком топливе на образование NOx.

В качестве (NOx)баз. берется значение NOx в уходящих газах, полученное при стендовых испытаниях. Как правило стендовые испытания горелок проводятся на природном газе (СН4) при номинальном избытке воздуха (1,05-1,15), температура воздуха для горения равна температуре окружающей среды, в камере горения установлена одна горелка, стенды оснащены системами охлаждения стенок. 

3.1 Влияние температуры камеры сгорания на образование NOx.

Образование «термических» NO имеет место непосредственно в зоне горения, при этом реакция O + N2 = NO +N - считается определяющей образование NO.

Энергетический барьер этой реакции складывается из двух составляющих:

1) энергии, требующейся на  образование одного атома кислорода (Е1);

2) энергии активации реакции  атома кислорода с молекулой  азота (Е2).

 

    Е=Е1+Е2=494/2+314=516 кДж/моль.

Так как энергия активация этой реакции очень высока, то она предопределяет исключительно сильную зависимость скорости образования оксида азота от температуры.

3.2 Влияние коэффициента избытка воздуха на образование NOx.

При высоких температурах NO будет образовываться быстро, если присутствует достаточное количество атомарного кислорода. Фактически в наиболее горячей зоне пламени содержание атомов О превышает их равновесную концентрацию. Вследствие этого концентрация NO быстро возрастает по мере того, как горение углеводорода обеспечивает условия для окисления азота в воздухе.

 

 

3.3 Влияние состава топливного газа на образование NOx.

Состав топлива является определяющим фактором, влияющим на образование «быстрых» и «топливных» оксидов азота. 

Механизм образования «быстрых» оксидов азота состоит в следующем. 

При высоких температурах все парафиновые углеводороды подвергаются более или менее глубокому распаду с разрывом связей С—С или С—Н. Термический распад углеводородов происходит по-разному в зависимости от температуры. Чем сложнее молекулы, тем легче происходит термическое разложение. Первичными продуктами реакции являются свободные радикалы. Радикалы, являясь химически ненасыщенными частицами, обладают исключительно высокой реакционной способностью и мгновенно вступают в различные реакции, в частности, с азотом воздуха, образуя монооксид азота NO.

Образование «топливных» NО рассчитывается в предположение, что во время горения происходит разложение азотосодержащих компонентов топлива до активного атомарного азота N или цианида водорода HCN. Далее считается, что процесс протекает по двум ветвям: окислении азота до оксида азота N (HCN)+О2→NО и образование молекулярного азота вследствие рекомбинации атомарного азота 2N→N2.