Образование окислов азота. Способы подавления образования и нейтрализация в дымовых газах NOх

Лекция №7

Образование окислов азота.

Способы подавления образования и нейтрализация в дымовых газах NO_Х.

В ряду основных загрязнителей воздуха специальное место занимают оксиды азота. Как показали исследования, содержание оксидов азота определяет токсичность продуктов сгорания угля и мазута на 40 – 50 %, а природного газа на
90 – 95 %. При совместном присутствии в воздухе SO₂ и NO₂ в концентрациях равных сумме ПДК, вызывают нарушение состава крови, снижение плодовитости животных и т.д.  Концентрация  15 мг/м³ вызывает раздражение глаз, а 200 – 300 мг/м³ опасна уже при кратковременном вдыхании, т.к. оксиды азота попадают в легкие, где соединяются с гемоглобином крови и могут вызвать отек легких.

Более 95 % от общего количества выбросов оксидов азота во всем мире поступает в атмосферу с продуктами сгорания жидкого топлива и газа и лишь 5 % выбрасывает химическая промышленность. Следует отметить, что образующиеся в результате атмосферных явлений оксиды азота в количестве порядка 770 млн т/год не представляют опасности, так как они равномерно распределяются по поверхности земного шара в малых концентрациях.

К настоящему времени приближенно до детальной разработки процесса можно отметить три основных группы источников образования оксида азота при горении: «термические», «быстрые» и «топливные» NO.

Образование «термических» оксидов азота.

Условия протекания цепной реакции окисления атмосферного азота свободным кислородом при горении описывается уравнением:

кДж/моль,

где 180 кДж/моль затрачивается на образование оксида азота.

Температура в зоне реакции оказывает решающее влияние на равновесную концентрацию оксидов азота в воздухе

Температура, К	300	700	800	1800	2500
Равновесная концентрация [СNO], мг/м3	0,00127	0,38	2,54	4700	31700

Из таблицы видно, что чем меньше температура, тем меньше образование NO_X.

Реакция образования термических оксидов азота происходит в две стадии:

1 стадия: образование атомов кислорода

 кДж/моль,

где 494 кДж/моль затрачивается на распад О₂ на два атома;

2 стадия: реакция атома кислорода с молекулой азота

 кДж/моль,

где 314 кДж/моль – выделяемая энергия при прохождении реакции.

Концентрация оксидов азота линейно увеличивается с увеличением концентрации атомарного кислорода и экспоненциально с увеличением температуры. Решающее влияние на образование «термических» NO оказывают максимальная температура, время реакции образования NO и коэффициент избытка воздуха
α = 1,05 – 1,2.

Образование «быстрых» оксидов азота.

Быстрое образование NO объясняется связыванием молекул азота радикалами СН и С₂ в реакциях с очень малыми энергетическими затратами. Решающую роль в окислении N₂ в зоне горения играет радикал СН₂, а количественный выход NO при горении углеводородных газов (метан, пропан, бутан) пропорционален количеству СН не зависимо от значения α. Образующиеся по этому механизму оксиды азота обнаруживаются в начале зоны горения ламинарных пламен (или в корне турбулентного факела), что свидетельствует о малом времени их образования. В связи с этим они получили название «ранних» или «быстрых» NO.

Наиболее характерными признаками быстрого окисления азота в пламени служат: а) кратковременность процесса, в результате чего зона образования NO локализована на сравнительно небольшом участке фронта ламинарного пламени; б) слабая зависимость выхода NO от температуры горения; в) сильная зависимость выхода NO от соотношения топливо – воздух и смещение пика концентрации NO в область богатых горючих смесей.

Образование «топливных» оксидов азота.

Входящие в состав топлива азотсодержащие соединения, также являются источником образования оксидов азота, поступающих в атмосферу с продуктами сгорания. Сжигание канско-ачинских (Nр = 0,6 – 1,1 %), экибастузских (Nр = 1 – 1,7 %) и некоторых других бурых углей осуществляется при весьма низких температурах (1600 – 1700 К), при которых выход термических NO_X не велик, а выход «топливных» NO_X преобладает и составляет 75 %.