3394

Степень сложности разведки, трудности добычи и себестоимость топлива.

Удаленность месторождения от районов потребления и стоимость перевозки, транспортировки.

Важнейшие компоненты топлива Углерод. Имеет наибольшее значение. Его содержание в

горючей массе (массе за вычетом воды и минеральных примесей) находится обычно в пределах от 50 до 99%.

Далее в тексте содержание какого-либо компонента в горючей массе обозначается верхним индексом "г".

В таблице 1 приведено содержание углерода и других важных компонентов в некоторых твердых видах топлива.

Т а б л и ц а 1

Содержание важных компонентов в некоторых твердых видах топлива (в горючей массе), %

Вприродном газе содержится 75-90% углерода, в бензине 85%, в керосине – 86%.

Всреднем горение углерода в различных видах топлива, независимо от его состава, дает около 33мДж/кг.

Жаропроизводительность углерода равна 2240°С (средняя по всем видам топлива).

11

Водород. Второй по значению компонент. Содержание в твердых видах топлива см. табл. 1. В дизельном топливе содержится 13%, в мазуте – 11-12%, в керосине 14%, в бензине 15%, в сжиженном газе 18%, а в природном газе до 25%.

В среднем сгорание 1 кг водорода в составе топлива дает 141,5мДж теплоты, что в 4,2 раза выше теплоты сгорания углерода. Поэтому с увеличение содержания водорода в топливе растет его теплотворная способность и жаропроизводительность. Из углеводородов наибольшая теплотворная способность у метана (50мДж/кг). У мазута, к примеру, она равна 42мДж/кг.

Жаропроизводительность водорода равна 2235°С. Кислород. Третий важнейший компонент горючей массы.

Его практически нет в жидком и газообразном топливе.

Чем моложе твердое топливо, тем больше оно содержит кислорода (см. таблицу 1, в которой сверху вниз растет возраст топлива).

Кислород в топливе снижает теплоту сгорания. В этом смысле он является балластом. В основном он находится в составе таких функциональных групп, как -ОН, -СООН, и уже не способен окислять углерод и водород топлива.

С другой стороны, топливо с высоким содержанием кислорода характеризуется высоким выходом летучих веществ и легко зажигается.

Сера. Сера может содержаться в трех состояниях:

Органическая – в составе сложных органических соединений. Встречается в жидком и твердом топливе.

Колчеданная, или пиритная. Содержится в виде железного колчедана FeS2. Содержится только в твердом топливе.

Сульфатная – в составе сульфатов различных металлов (кальция, железа и др.). Содержится только в твердом топливе.

Сера не только снижает теплотворную способность, но и сильно загрязняет окружающую среду, выделяясь в виде оксидов.

12

Экологические проблемы

Из более чем 200 загрязнителей воздуха, на которые установлены нормы предельно допустимых концентраций (ПДК), следует выделить пять основных, связанных с горением топлива:

1.Твердые частицы

2.Оксиды серы SO2

3.Оксиды азота NO, NO2

4.Оксид углерода СО

5.Оксид углерода СО2

6.Углеводороды

Эти вещества определяют до 90-98% валовых выбросов вредных веществ в крупных городах и промышленных регионах. Для большинства регионов характерно следующее весовое соотношение этих веществ в атмосферу: оксид углерода около 50%, оксиды серы около 20%, твердые частицы 16-20%, оксиды азота 6-8% и углеводороды 2-5%.

К очень опасным веществам следует отнести также и бенз(а)пирен, который выбрасывается в очень незначительном количестве по сравнению с перечисленными веществами, но является крайне токсичным веществом.

Токсическое воздействие загрязняющих веществ

Оксид углерода. Он воздействует на нервную и сердечнососудистую системы, вызывает удушье (соединяется с гемоглобином крови, который становится неспособным переносить кислород к тканям). Оксид углерода не имеет запаха, и это делает его особенно опасным. Первичные симптомы (боли в голове) возникают при концентрациях 200-220 мг/м3 при воздействии в течение несколько часов. При больших концентрациях СО появляется ощущение пульса в висках, головокружение.

Оксиды азота NO и NO2. Не имеют цвета и запаха. Очень ядовиты, действуют раздражающе на органы дыхания. При высоких концентрациях вызывают кашель, рвоту, головную боль. Обостряют астму, легочные и сердечные заболевания. Усиливают

13

действие СО. Ослабляют иммунитет организма ко многим заболеваниям.

Вкрупных городах выбросы оксидов азота от автомобильного транспорта совместно с углеводородами образуют смог – фотохимический туман.,

Снижают урожайность в сельском хозяйстве, уничтожают леса. Разрушают ряд материалов самостоятельно, а также в виде кислых дождей.

Оксиды серы. Прежде всего, выбрасывается диоксид серы

SO2 (сернистый ангидрид). Это бесцветный газ с резким запахом; уже в малых концентрациях (20-30мг/м3) создает неприятные

ощущения во рту и раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательные пути. Порог запаха составляет 3-6 мг/м3. Вызывает заболевания дыхательных путей, легочные и сердечные заболевания, обострение астмы.

Врастительном мире к SO2 наиболее чувствительны хвойные и лиственные леса, так как этот оксид накапливается в хвое и листве. При содержании в воздухе от 0,23 до 0,32 мг/м3 SO2 происходит усыхание сосны за 2-3 года в результате нарушения

фотосинтеза и дыхания. Аналогичные изменения лиственных деревьев происходят при концентрации SO2 около 0,5-1,0 мг/м3.

Сернистый ангидрид вызывает разрушение металлов и некоторых материалов, выпадая на землю в виде кислых дождей.

Углеводороды. Представляют собой несгоревшие компоненты топлива. Особенно большие выбросы наблюдаются на автомобильном транспорте при неправильной регулировке двигателей. Вызывают тошноту, сонливость, головные боли, некоторые из них - ароматические - канцерогенны.

Бенз(а)пирен. Очень сильный канцероген – вещество, вызывающее раковые заболевания. Является мутагеном, вызывающим генетические мутации организмов при развитии плода. Оказывает также тератогенное воздействие (рождение уродов). Обладает способность накапливаться (аккумулироваться) в организме. Бензопирены (рис. 1) существует в виде двух

14

изомеров -1,2-бензопирен и 4,5-бензопирен. (ф-лы соотв. I и II).

Рис. 1 Структурные формулы -1,2-бензопирена и 4,5- бензопирена.

Твердые частицы. Представляют собой высокодисперсные частички пыли, золы и сажи, выделяющиеся в аэрозольном состоянии в атмосферу. Вызывают раздражение верхних дыхательных путей, обострение астматических, легочных и сердечнососудистых заболеваний.

Снижают солнечное освещение, стимулируют образование смога в крупных городах. Особенно опасна сажа, так как она сорбирует бенз(а)пирен и становится канцерогенной.

Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей

В таблице 2 приведены значения ПДК для наиболее вредных примесей в атмосфере. Кроме величин ПДК, для них используется т.н. класс опасности вещества. Чем меньше значение класса опасности, тем более вредным для организма является данное вещество.

Т а б л и ц а 2

ПДК некоторых вредных примесей в атмосфере на территории России

Следует отметить, что топливо представляет собой опасность для окружающей среды и человека не только вследствие сжигания и образования вредных веществ. Вредное воздействие начинается уже на стадии его добычи и транспортировки.

Для контроля содержания загрязняющих веществ в отходящих газах стационарных и передвижных источников промышленных выбросов в целях экологического контроля и оптимизации процесса горения топлива используется переносной газоанализатор ДАГ-510 (рис. 2).

Переносной газоанализатор ДАГ-510 применяется для измерения:

содержания кислорода (О2), оксида углерода (СО), оксида азота (NO),

диоксида азота (NO2), сернистого ангидрида (SO2),

сероводорода (Н2S) и углеводородов (по метану или пропану) в отходящих газах топливосжигающих установок; измерения температуры в точке отбора пробы и температуры

окружающей среды; измерения абсолютного давления, разности давлений; определения расчѐтным методом скорости и расхода газопылевых

потоков при работе с пневмометрической трубкой Пито или НИИОГАЗ в соответствии с ГОСТ 17.2.4.06-90; определения расчѐтным методом содержания диоксида углерода (СО2) , суммы оксидов азота (NOX);

16

определения расчетным методом технологических параметров топливосжигающих установок - коэффициента избытка воздуха и коэффициента потерь тепла.

Рис. 2. Переносной газоанализатор ДАГ-510

Принцип работы.

Принцип действия газоанализаторов основан на применении комплекта электрохимических измерительных датчиков - для измерения содержания О2, СО, NO, NO2, SO2, и Н2S; инфракрасного оптического датчика для измерения содержания углеводородов; термоэлектрического преобразователя для измерения температуры газового потока; полупроводниковых датчиков для измерения температуры окружающей среды, измерения абсолютного давления и разности давлений.

Сигналы, поступающие с датчиков, подаются на нормирующие усилители, после чего преобразуются в цифровой вид на аналого-цифровом преобразователе и поступают на обработку в микропроцессорный контроллер. Микропроцессор выполняет температурную компенсацию, устранение перекрестных влияний одного измеряемого газа на другой, перечет сигнала в

17

соответствующую измеряемую величину с учетом единиц измерения и выводит результат измерения дисплей, принтер или персональный компьютер.

Содержание СО2 в отходящих газах

Содержание СО2 в отходящих газах зависит от доли углерода и водорода в топливе, количества воздуха поступающего на горение и режима сжигания топлива. Газоанализатор ДАГ-510 непосредственного измерения СО2 не производит, а вычисляет, исходя из содержания кислорода и угарного газа. Для

правильного расчета необходимо чтобы тип топлива, выбранного до начала измерения соответствовал сжигаемому топливу, и не было разбавления продуктов сгорания воздухом.

Содержание СО2 рассчитывается следующим образом:

СО2 = СО2 макс.топ. • ( 100 - 4.76 • (О2 изм. - 0.4 • СО изм. )) /

CO2 макс. - теоретическое максимальное содержание углекислого газа при стехиометрическом горении топлива, %; О2 изм. - жаропроизводительность топлива, %;

СО изм. - отношение теплоемкостей продуктов полного сгорания, %.

Избыток воздуха

На практике очень сложно обеспечить идеальный режим сгорания топлива, поэтому топливные установки всегда работают с избыточным количеством воздуха. Отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому называют

18

избытком воздуха. Избыток воздуха должен быть минимальным, но при этом должно обеспечиваться полное сгорание топлива. Он рассчитывается следующим образом:

где:

Alf - избыток воздуха, %;

O2 , СО - измеренное значение компонентов в процентах объема; N2 - содержание азота в отходящих газах,%:

N2 = 100 - RO2 – О2 - СО.

Характеристики топлива

Выбор типа сжигаемого топлива необходим для правильного расчета величин CO2 и коэффициентов потерь, и на остальные величины влияния не оказывает. При обращении к данной функции выводится справочник с 12 стандартными и 4 свободнопрограмируемыми типами топлива. Необходимо выбрать одно из предлагаемых видов топлива.

Используемые в приборе стандартные типы топлива и их характеристики приведены в таблице 3

Т а б л и ц а 3

где:

CO2 max - теоретическое максимальное содержание CO2 для данного вида топлива;

T’max - жаропроизводительность топлива, с учетом содержания в воздухе влаги;

P - количество теплоты, выделяемое при полном сжигании при α=1, отнесенное к 1м3 сухих продуктов сгорания;

B - соотношение объемов влажных и сухих продуктов сгорания; O2 ref - стандарт О2 для мг/м3.

Пересчет результата измерения газов

Сигналы о величине концентрации измеряемых газов, поступающие с датчиков, пропорциональны объемным долям измеряемых компонентов. В зависимости от выбранных единиц измерения и режимов расчета измеренное в объемных долях содержание газов в пробе Em (ppm) пересчитывается согласно формуле (3) и выводится как результат измерения. Коэффициенты пересчета от объемных долей (ppm) в весовые концентрации (мг на м3 при нормальных условиях 101,3 кПа и температуре 273,15 К)

где ppm - единица измерения концентрации. (ppm, от англ. parts per million — частей на миллион).

20