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 С_nH_m. Крім вуглеводнів С_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:

(10.1)

де a – коефіцієнт надлишку повітря; n, m – кількість атомів у молекулі певного вуглеводню; y_О2– об’ємна частка кисню в окиснювачі, %.

У результаті згорання вуглеводнів С_nН_m на одну молекулу паливної компоненти утворюється n молекул вуглекислоти СО₂ і m/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 СО, що в побуті називають чадним газом, водню Н₂ і незгорілих вуглеводнів С_хH_yO_z. Одним із токсичних продуктів неповного згорання є формальдегід СНОН. Останній характеризується токсичністю, що у сотні разів більша за токсичність СО.

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 ® 2О, (10.2)

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 NО

N₂ + О® NО + N . (10.3 )

У результаті реакції (10.3) утвориться активний атом азоту N, що реагує з киснем з утворенням додаткового оксиду азоту і хімічно активного атомарного кисню:

О₂ + N ® NО + О. (10.4)

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 SО₂ і частково SО₃. 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 SО₂
є сполуки, що містять органічну сірку, наприклад метилмеркаптан – СН₃S.

Крім того, до складу макромолекули рідкого і твердого палива входить тіофен С₄Н₄S, що також є джерелом утворення SО_2.

Якщо відомо елементарний склад палива, то з хімічного рівняння

S + О₂ = SО₂ (10.5)

видно, що у процесі спалювання 1 кг палива утвориться 2S^р на 100 кг діок­сиду сірки (де S^р – уміст сірки в робочій масі палива, %).

До складу рідкого і твердого палива входять також азот палива N^р
у вигляді сполук типу піролу С₄Н₅N і піридину С₅Н₅N. Ці сполуки можуть бути додатковим джерелом утворення так званих паливних оксидів азоту NО і NО₂.

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 А^р 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 NО_х і сірчистий ангідрид SО₂ – найпоширеніші токсичні сполуки, що викидаються в атмосферу під час спалювання органічного палива в котлах. Рівень викидів NО_х і SО₂ істотно залежить від виду
і складу палива. Так, утворення сірчистого ангідриду SО₂ в димових газах залежить від сірчистості палива, а його валовий викид визначається співвідношенням

М_SО2= 0,02ВS^р(1 – )(1 – ), (10.6)

де В – витрата палива, кг/с; S^р – уміст сірки в робочій масі палива, %; h¢_SО2– частка оксидів сірки, що зв’язується леткою золою в котлі (змінюється в діапазоні 0,02…0,8); h¢¢_SО2– 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

M_NOx= k_NOx, (10.7)

де – теплота згорання палива, МДж/кг; k_NOx– 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 NО_x в енергетиці різних країн існують обмеження щодо максимальних їх концентрацій у продуктах згорання органічних палив (табл. 10.3).

Таблиця10.3 - Норми гранично допустимих концентрацій оксидів азоту
в димових газах для котлів на природному газі

Виходячи з рівня питомого викиду k_NО2можна перейти до визначення концентрації оксидів азоту (г/м³) за допомогою співвідношення

NО₂ = k_NО2 /V ^г, (10.8)

де V ^г – об’єм димових газів для коефіцієнта надлишку повітря a, 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 NО_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 мінімально допустимої висоти димової труби, що забезпечує дотримання норм приземних граничнодопустимих концентрацій відповідних викидів у населеній місцевості (табл. 10.4).

Таблиця 10.4 - Гранично допустимі концентрації і показники відносної небезпечності речовин

Ступінь екологічної небезпеки тієї чи тієї токсичної речовини для людини визначається відношенням дійсної концентрації цієї речовини до [ГДК]_i у повітрі на рівні дихання людини. Це відношення k_i = С_i/[ГДК]_i називають токсичною кратністю цієї i-ї речовини. Воно має бути менше одиниці. За наявності у повітрі одночасно декількох токсичних речовин
у концентраціях, близьких до біологічного впливу на живий організм, отруйний вплив посилюється, тому наявність таких речовин навіть у концентраціях, близьких до [ГДК]_i, недопустима. У зв’язку з цим треба підсумовувати токсичні кратності таких речовин. Умову екологічної безпеки повітряного середовища визначають зі співвідношення:

(10.9)

де n – кількість токсичних інгредієнтів.

Ефект сумації (спільної посилювальної дії) виявляють: сажа і канцерогенні вуглеводні; оксиди азоту і канцерогенні вуглеводні; діоксид азоту і формальдегід; оксиди азоту і сірки.