4.1.     Образование загрязнений при сгорании топлива

Наиболее широкое применение в качестве топлива находят нефть, уголь и природный газ. В некоторых странах также ши­роко используется древесина. Основными компонентами угля, нефти и древесины являются углерод, водород и кислород, в меньших количествах присутствуют сера и азот, а также следы других веществ, например соединений металлов (сульфидов и оксидов).

Природный газ перед использованием обычно очищают от содержащихся в нем соединений серы, чтобы предотвратить коррозию трубопроводов. Количество серосодержащих соединений в топливе зависит как от его типа, так и от места его добычи. Содержание серы в нефти и угле может изменяться от долей процента до 5 %. В нефти сера практически полностью входит в состав органических соединений (так называемая органическая сера), в угле половина серы органическая, остальное – неоргани­ческая сера, распределенная в виде мелких кристаллов пирита (FeS2), сульфатов железа Fe2(SO4)3, магния (MgSО4), кальция (CaSО4) и других соединений.

При сгорании топлива происходит окисление соединений во­дорода и углерода, сопровождающееся выделением энергии

С + О2  СО2 + 395 МДж/моль

Н2 + 1/2 О2  Н2О + 287 МДж/моль

Если количество кислорода недостаточно для полного окисления углерода, протекает реакция:

 МДж/моль

либо часть образующегося СО2 вступает в реакцию с углеродом, образуя оксид углерода (II):

С + СО2  2СО – 172 МДж/моль

Таким образом, при сгорании топлива в условиях недостатка кислорода может выделяться большое количество оксида углерода, при этом, по сравнению с полным сгоранием, уменьшается количество выделяющегося тепла.

При неполном сгорании нефти или угля летучие органические соединения удаляются, образуя один из компонентов дыма, что особенно характерно для небольших домашних печей. В больших печах летучие соединения, обладающие высокой горючестью, вос­пламеняются от излучения горячих стенок печи и сгорают полностью до СО2 и Н2О.

Сера и азот, входящие в состав угля и нефти, также сгорают с образованием оксидов:

В меньшей степени в пламени протекает дальнейшее окисление

либо

.

В составе оксидов, образующихся в обычном пламени, лишь около 1 % SО3. Хотя SO3 является стабильной молекулой при низких температурах, скорость ее образования в отсутствие ка­тализатора незначительна. При температурах, характерных для пламени, более стабильным является диоксид серы.

В процессе горения выделяется также оксид азота (NO). Источ­ником его образования является частично азот, содержащийся в топливе, остальная часть образуется в результате реакций с атмосферным азотом в пламени и в прилегающих к нему слоях. Наиболее характерными являются реакции, известные как реакции Зельдовича:

N2 + O∙ → NO + N∙ – 315 МДж/моль

N∙ + O2 → NO +О + 133 МДж/моль

Попадая в атмосферу, оксид азота медленно превращается в диоксид путем сложных фотохимических реакций. В упрощенном виде они сводятся к реакции:

В условиях высоких температур в пламени образуются оксиды азота из активных атомов азота и кислорода, а также гидроксильных радикалов, причем реакция протекает очень быстро:

N∙ + ОН∙ → NO + Н∙ + 165 МДж/моль

При горении газа или нефти, не содержащей серы и азота, оксиды азота образуются лишь в результате реакций с участием атмосферного азота (табл.


4.2). Количество оксидов серы в про­дуктах сгорания зависит только от содержания серы в топливе, концентрация же оксидов азота в большой степени определяется способом сжигания топлива и температурой пламени.

Таблица 4.2

Содержание газообразных выбросов от сжигания топлива (в млн.-1) без учета выбросов от двигателей внутреннего сгорания

Топливо

Оксиды азота

SO2

SO3

ПДК на 23.02.1971

ПДК на 31.12.1974

Среднее

Нефть

Уголь

Природный газ

525

225

150

225

225

125

70 – 500

200 – 1200

60 – 1600

200 – 700

1100 – 2100

 –

3 – 12

10 – 18

 –

Образование твердых частиц (дыма) при горении зависит от содержания твердых негорючих материалов в топливе и от пол­ноты сгорания углерода. Как несгоревшие частицы углерода, так и неорганические материалы присутствуют в дымах, выделяемых небольшими промышленными, коммерческими или домашними котлами и печами, когда они работают с перегрузкой или при неполном сгорании.

Обычно в аппаратах, работающих на нефти и газе, при оптимальных скоростях сжигания и хорошо отрегу­лированных горелках образуется мало дыма. Наоборот, в печах, работающих на угле, в особенности на распыленном, что харак­терно для современных промышленных установок, неизбежно вы­деление значительных количеств дыма, что приводит к необхо­димости установок очистки от аэрозольных выбросов. В печах старой конструкции, когда уголь сжигали на колосниковых ре­шетках, выделение дыма значительно уменьшалось, поскольку большая часть золы не попадала в дымоход, а собиралась в золь­ной яме.

Сжигание топлива в стационарных системах производится в камерах, где обеспечивается стабильное пламя и достаточное время для протекания реакций окисления. При этом основными загрязнениями в воздухе являются оксиды азота, серы и частицы дыма. В настоящее время разработаны и широко внедрены способы улавливания частиц дыма, извлечение же оксидов азота и серы пока разработано слабо.