Лекция №4 Образование оксидов азота и канцерогенных веществ План
4.1. Влияние режимных параметров работы теплогенераторов на образование оксидов азота
4.2. Превращение оксидов азота в атмосфере
4.3. Образование канцерогенных веществ
4.1. Влияние режимных параметров работы теплогенераторов на образование оксида азота
К основным режимным параметрам, характеризующим процесс работы теплогенератора относятся его тепловая мощность и коэффициент избытка воздуха, подаваемого на горение.
С ростом тепловой мощности, т.е. расхода топлива, повышается и средний температурный уровень как в топке, так и в факеле. Причем между температурой в топке и тепловой мощностью агрегата существует логарифмическая зависимость (рис.4.1). Как показано выше концентрация оксида азота экспоненциально зависит от температуры в зоне горения. Многочисленные исследования показали, что между концентрацией NOи тепловой мощностью агрегата в диапазоне рабочих нагрузок существует линейная зависимость. Это может быть объяснено тем, что складываясь логарифмическая и экспоненциальная зависимости вырождаются в прямую линию. Однако при нагрузках, близких к максимальным, т.е. при достижении максимальной температуры, наблюдается стабилизация концентрация оксида азота.
При увеличении коэффициента избытка воздуха в зоне реакции возрастает как концентрация O2, так иN2. Таким образом должно было бы наблюдаться линейное увеличение концентрацииNO. Однако рядом исследований установлено, что возрастание выхода оксида азота с увеличением коэффициента избытка воздуха наблюдается до значений, близких к 1,2, а затем наступает уменьшение его концентрации (рис.4.2). Это может быть объяснено следующим.
При сжигании топлива в топку подается не гомогенная смесь топлива с воздухом. При (a< 1,2) концентрацииO2в локальных зонах не хватает на протекание реакции окисления азота. Кислород в первую очередь расходуется на окисление углеводородов в результате протекания цепных реакций горения. При увеличенииaдо 1,2 возрастает как доля свободногоO2, так и температура в зоне горения вследствие более полного выгорания углеводородов. При дальнейшем увеличенииaнаблюдается избыточное количество кислорода и азота в зоне реакции. Это должно было бы благоприятствовать увеличению концентрацииNO
CNO
100
75
50
25
0 25 50 75 100 125 Q(qv)
Рис. 4.1. Зависимость концентрации NOот тепловой нагрузки агрегата (Q), (qv)
CNO
0.95 1.00 1.05 1.10 1.15 1.20 a
Рис. 4.2. Зависимость концентрации NOот коэффициента избытка воздухаa
в продуктах сгорания. Но на нагрев избытка O2иN2затрачивается теплота, выделяющаяся в ходе окисления углеводородов, т.е. горения. Это приводит к снижению среднего температурного уровня факела, а следовательно, к снижению концентрацииNO.
4.2. Превращения оксидов азота в атмосфере
После образования оксид азота переходит в диоксид азота по двум цепным реакциям:
1. В зоне высоких концентраций в топке за счет окисления кислородом в результате экзотермической реакции
2 NO + O2 ® 2 NO2 + 109 кДж/моль (4.1)
2. При низких концентрациях в результате окисления атмосферным озоном:
NO + O3 ® NO2 + O + 205 кДж/моль (4.2)
В корне факела примерно только 5 % NOпереходит вNO2, остальная же часть трансформируется в атмосфере. В зоне низких концентраций скорость реакции (4.2) в 105 выше, чем скорость реакции (4.1).
Оксиды азота оказывают двоякое воздействие на озон воздуха. С одной стороны озон воздуха расходуется на окисление NOвNO2. Этот процесс характерен для выбросов теплогенераторов, где есть оксид азота, но нет углеводородов. В выхлопных газах автомобилей, где есть углеводороды, наоборот отмечается повышенное количество озона.
При добавлении углеводородов, в частности бензина, углеводороды окисляются и образуют альдегиды, нитриты и т.п. Оксид азота переходит в диоксид с образованием озона. Также при этом образуется пероксиацетилнитрат
О
//
CH3C
\\
OONO2
При соединении озона, диоксида азота и пероксиацетилнитрата образуются фотохимические оксиданты, являющиеся одной из причин фотохимического смога. Общее содержание озона в атмосфере невелико (порядка 3,29´109 т). Однако при ежегодном выбросе 50 Млн. т оксида азота потеря озона в приземном слое составляет 60...70 Млн. т/год.