Раздел III. Образование токсичных веществ

ПРИ СЖИГАНИИ ТОПЛИВА

Лекция №3 Образование твердых частиц, оксидов серы,

оксидов углерода и других продуктов неполного сгорания топлива

План

3.1.Твердые частицы

3.2. Оксиды серы

3.3. Оксиды углерода и другие продукты неполного сгорания топлива

3.1. Твердые частицы

При сжигании угля с содержанием минеральной части Ар = 16...20 % в камерных топках вынос твердых частиц в рабочей массе топлива за пределы топочной камеры составляет до 20 % от его массы. Вследствие этого эксплуатация камерных топок без систем пылеулавливания невозможна. Меньший выброс твердых частиц за пределы топочного устройства имеет место при применении циклонных топок.

Унос частиц золы и несгоревшего топлива в газоходы с потоком продуктов сгорания зависит от кинетической энергии движения основного потока, размеров и формы частиц топлива. При сферической форме частиц унос определяется неравенством

(3.1)

где d_т- диаметр частиц топлива, м;w_г- скорость потока продуктов сгорания, м/с;r_гиr_т- соответственно плотность продуктов сгорания и частиц топлива, кг/м³;p= 3,14;g- ускорение свободного падения, м/с²;z- коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса.

В выражении (3.1) левая часть уравнения характеризует подъемную силу, создаваемую потоком продуктов сгорания по отношению к частице, а правая - массу частицы с учетом вытесняемого объема газа. Это выражение может также использоваться для определения максимального диаметра уносимых частиц в зависимости от скорости продуктов сгорания.

Если для крупных котельных установок совершенствование системы пылеулавливания и строительство высоких труб позволяет в значительной мере уменьшит концентрации твердых частиц в воздухе, то для малых отопительных и промышленных котельных установок со слоевыми топками практически единственным радикальным решением является перевод их на мазут или природный газ. При отсутствии систем пылеулавливания твердое топливо (уголь) поставляет в атмосферу в 100...200 раз больше твердых частиц, чем жидкое топливо. При сжигании жидкого топлива выделяется значительное количество мелкодисперсной сажи, обладающей большей токсичностью, чем обычная пыль, и оказывающей неблагоприятное влияние на прозрачность атмосферы. Если наличие золы в продуктах сгорания твердого топлива объясняется наличием минеральной части в топливе, то появление сажи связано со сложными физико - химическими процессами, протекающими во время процесса горения топлива.

Известно, что процесс горения любого топлива протекает стадийно, т.е. в определенных зонах факела находятся промежуточные продукты горения.

Сажа представляет собой тонкодисперсную структуру, состоящую из углерода, причем атомы углерода образуют бензольные кольца

С

С С

С С

С

Рассмотрим механизм образования сажи при сжигании мазута. Мазут представляет собой в основном смесь предельных, непредельных углеводородов с углеродным числом от 5 до 10 с небольшим количеством поли- и гетероциклических ароматических углеводородов. Предельные и непредельные углеводороды имеют линейную или разветв­ленную структуру. При попадании таких углеводородов в зону высоких температур происходит процесс деструкции, т.е. разрушения углеводородов. В первую очередь от углеводородов отщепляются атомы водорода, т.к. химические связи между атомами водорода и углерода гораздо менее устойчивы чем связи между атомами углерода. Атомы водорода как очень реакционноспособные вступают в реакцию с кислородом, т. е. начинают выгорать. Одновременно с этими процессами протекает процесс циклизации углеводородов. В этот момент образуются полициклические и гетероциклические углеводороды, а также зародыши сажи. Попадая в зону низких температур эти вещества "закаливаются", т.е. становятся стабильными и дальнейшее выгорание их не происходит.

При сжигании газообразного топливана первом этапе также про­исходит разрушение углеводородов в результате отщепления атомов водорода. Затем часть углеводородов, находящаяся с зонах с пониженным содержанием кислорода начинает полимеризоваться, т.е. удлинять свои углеродные цепочки, а некоторая часть образует циклические структуры поли- и гетероциклических углеводородов и зародыши сажи.

Таким образом необходимыми условиями образования сажи при сжигании жидкого и газообразного топлива являются наличие высокотемпературных зон и локальный зон содержанием кислорода менее теоретически необходимого для горения.