7213

21

оксидов азота, образовавшихся в зоне горения, сохраняется до выхода из то-

почной камеры.

Концентрация NO увеличивается с возрастанием избыточного кислоро-

да в зоне горения до максимальных величин, устанавливаемых при макси-

мальной температуре в топке (см. рис.2.2 кривые 1,2 и 3).

При дальнейшем увеличении концентрации избыточного кислорода синтез оксидов азота снижается в результате уменьшения топочной темпера-

туры из-за разбавления избыточным воздухом. Анализ рис.2.2 показывает,

что концентрация термических оксидов азота возрастает с увеличением теп-

лового напряжения топочного объёма. При сжигании топлив (природный газ,

мазут) в энергетических котлах (кривая1) максимум NO (800 – 1000 мг/ м3)

значительно превышает максимум, наблюдаемый в промышленных котлах

(кривая 2) - 200-250 мг/м3, который, в свою очередь значительно выше, чем в отопительных котлах (кривая 3), где концентрация NO не превышает 80-120 мг/м3.

Таким образом, основными условиями образования термических NO

являются:

-наличие избыточного кислорода

-высокие температуры в зоне синтеза NOх.

Концентрация термических оксидов азота зависит от распределения температур в топке, например, снижается в случае быстрого охлаждения фа-

кела.

22

Рис 2.2 Зависимость концентрации NO от коэффициента избытка воз-

духа в топке для различных котлов

1-энергетические котлы;

2-промышленные котлы;

3-отопительные котлы малой мощности.

Топливные оксиды азота.

Топливные оксиды азота образуются из азотсодержащих соединений топлива, т.е. в случае наличия NP в рабочей массе топлива. Их наличие (око-

ло 15% массы) фиксируется уже при температурах 800-1100°С, т.е. на начальном участке факела.

Основная часть топливных оксидов азота образуется в температурном интервале 1300-1400°С, т.е значительно более низком, чем термические NO.

Это объясняется тем, что в зоне деструкции топлива азот находится в ато-

марном состоянии, т.е вступает в реакцию с меньшим энергетическим барье-

ром.

Однако окисляется не весь азот, содержащийся в топливе. Степень пе-

рехода азотсодержащих соединений топлива в NO быстро нарастает с увели-

чением коэффициента избытка воздуха α. Вид азотсодержащих соединений

23

топлива и содержание кислорода в топливе не оказывают влияния на выход топливных оксидов азота.

Быстрые (фронтальные) оксиды азота.

Механизм образования быстрых оксидов азота разработан Фенимором С.В. По его мнению молекулярный азот связывается в топке не только с ато-

марным кислородом, но и с радикалами СН и С2 в реакциях с малыми энер-

Указанные реакции протекают предположительно в узком фронте пла-

мени. Поэтому оксиды азота, образовавшиеся из атомарного азота по реакци-

ям (см. формулы 2.17 – 2.19) назвали фронтальными. Термин быстрые

эти оксиды азота получили за высокую скорость этих реакций.

Процесс образования быстрых, или фронтальных оксидов азота начи-

нается уже при температурах передней границы фронта пламени t 800°С.

Механизм образования сернистых соединений.

Образование SO2

При сжигании жидких и твёрдых топлив, содержащих серу в рабочей массе, проходят реакции высокотемпературного окисления серы

S → SO → SO2 (2.21)

Ответственным за образование SO2 в этом случае является атомарный кислород.

24

Если сера содержится в виде сероводорода Н2S (газообразное топливо),

то в процессе окисления H2S участвуют гидроксил ОН , атомарный О и мо-

лекулярный О2 кислород по схеме

Н2S →HS→SO→SO2 (2.22)

Атомарный кислород (О), молекулярный кислород О2 и гидроксид ОН являются ответственными за образование SO2 и из других серосодержащих соединений.

Образование SO3.

В области избытков воздуха (α > 1) по данным термодинамического анализа можно выделить три температурные зоны, различающиеся по меха-

низму образования SO3[13].

При температурах выше 1400°С концентрация атомарного кислорода

Образование паров серной кислоты

В продуктах сгорания всех топлив содержатся водяные пары Н2О, сле-

довательно, может произойти реакция образования серной кислоты

SO3+H2O=H2SO4 (2.26)

Газовый тракт котла запроектирован таким образом, чтобы не допу-

стить конденсации паров серной кислоты внутри котельного тракта и дымо-

вой трубы. С этой целью температура уходящих продуктов сгорания серосо-

25

держащих топлив должна превышать точку росы серной кислоты (во избежа-

ние коррозии металлических поверхностей нагрева). Таким образом, содер-

жащиеся в дымовых газах пары серной кислоты выбрасываются в воздушный бассейн, обуславливая кислотные дожди.

Образование твёрдых частиц

При сжигании топлив твёрдые частицы образуются в двух видах – ча-

стицы летучей золы и частицы несгоревшего топлива. Количество образую-

щейся в топке золы определяется зольностью топлива (АР). Минеральная часть топлива проходит процесс озоления в высокотемпературной зоне то-

почной камеры. Часть образовавшейся золы проваливается через колоснико-

вое полотно (при сжигании твердого топлива), другая оседает на поверхно-

стях нагрева. Оставшаяся часть (летучая зола) выбрасывается в атмосферу через дымовую трубу. Доля золы, уносимой газами, обозначается ?ун .

2.3 Экологическая характеристика промышленных печей

Промышленные печи являются источником загрязнения воздушного бассейна в первую очередь ввиду необходимости сжигания органического топлива для достижения заданных технологических параметров.

В качестве топлива для промышленных печей наряду с традиционными природным газом и мазутом часто используются отбросные газы некоторых технологических процессов – доменные, ваграночные, кокс (для коксовых и коксо-газовых вагранок). Кроме перечисленных ранее вредных веществ (СО, NOх, SOх и др), характерных для сжигания органических топлив, в дымовых газах промышленных печей оказываются вредные вещества, задействованные в технологических процессах или образовавшиеся в топке при высоких тем-

пературах. Например, при плавке цветных металлов выделяются дополни-

тельно фториды (НF), цианиды (НСN), большое количество твердых частиц и др.

Приведем примеры выбросов некоторых промышленных печей.

26

Литейное производство

Основными источниками загрязнения атмосферы в литейных произ-

водствах [16,17] являются плавильные печи, участки приготовления формо-

вочных и стержневых смесей, цеха розлива металла и очистки литья. Для плавки металла используются доменные, кислородные, дуговые и индукци-

онные печи, а также вагранки открытого и закрытого типов.

Доменные печи предназначены для производства сырого чугуна из же-

лезной руды и металлолома. Побочным продуктом реакции восстановления железа из руды является доменный (колошниковый) газ, имеющий следую-

щий приблизительный состав (в % по объему): СО -30; Н2 -1,5; СН4 - 0,5;

СО2 - 13; NОх - 0,02; остальное - азот и кислород. Кроме того, в газе могут содержаться оксиды серы, фосфора и др.

Доменный газ имеет теплоту сгорания порядка 4000 кДж/м3 и может

быть использован для обогрева сушил, воздухонагревателей.

.Вагранки служат для плавки сырого чугуна и чугунного лома. По кон-

струкции вагранки представляют собой вертикальные шахтные печи высотой

порядка 10 м и диаметром 1 ...2 м.

В табл.2.2 приведены результаты исследований характеристик вагра-

ночных газов для вагранки производительностью 2,5 т/ч.

Таблица 2.2. Характеристика выбросов вагранки производительностью

2,5 т/ч [17]

В таблице 2.3.приведены удельные выделения основных загрязнителей

от печей плавки их металлов и сплавов [17].

Таблица 2.3. Удельные выделения основных загрязнителей от печей плавки цветных металлов.

В процессе сушки смесей, содержащих фенолформальдегидныс, карба-

мидные и другие смолы, выделяются различные газообразные загрязнители,

количество которых приведено в таблице 2.4.[17]

Таблица 2.4. Выделение загрязнителей при сушке формовочных и стержневых смесей, содержащих фенол-формальдегидные, карбамидные и др. смолы

Выделение загрязнителей, кг/ч

Удельные выделения газообразных загрязнителей при выбивке форм и стержней ориентировочно могут быть приняты следующими: СО - 1 кг, SО2 - 0,05 кг, NОх -,0,2 кг, NН3 - 0,5 кг на тонну изделий. Удельные выделения пы-

ли зависят от типа выбивных устройств и могут быть приняты ориентировоч-

но для подвесных вибраторов 10 кг/т, для выбивных решеток - соответствен-

но увеличению типоразмера от 5 до 20 кг/т.

Машиностроительное производство

Крупные машиностроительные предприятия выбрасывают более 50

наименований сильно разбавленных загрязнителей количеством более 1 т/ч (без учета выбросов источников энергоснабжения).

Основные источники загрязнений это топливоиспользующие установки

– промышленные печи для термообработки металлов (нагрев, плавка) и суш-

ки изделий.

Приоритетные загрязнители – вредные вещества продуктов сгорания топлива (перечисленные ранее) и образовавшиеся в процессе обработки ме-

таллов в топке токсичные примеси, выбрасываемые вместе с продуктами сго-

рания в атмосферу.

Ниже приведены выборочно расчетные значения удельного выброса загрязняющих веществ от оборудования термообработки металлов [3] и ре-

зультаты натурных измерений содержания загрязняющих веществ в выбросах термических печей для нагрева заготовок под ковку и штамповку, термиче-

ских печей для закалки и отжига, сушильных установок [16,17] .

29

Выделения загрязнений от некоторых видов оборудования и процессов

термической обработки металлов [3,17] приведены в таблице 2.5

Таблица 2.5. Выделение загрязнителей от оборудования термообработки металлов

Выделения при нагреве заготовок до температур выше 1000° С под

штамповку и поковку приведены в таблице 2.6 [16,17].

Таблица 2.6. Выбросы термических печей для нагрева заготовок под штамповку и поковку

30

В таблице 2.7. представлены данные о выбросах вредных веществ тер-

мическими печами для закалки и отжига заготовок

Таблица 2.7. Выбросы термических камерных печей для закалки и отжига

В таблице 2.8. приведена характеристика выбросов установок для

сушки форм, стержней, песка и глины.