Безопасность жизнедеятельности \ Охрана окружающей среды

Снижение концентрации оксидов азота и серы в приземном слое воз­духа, страница 3

где CNOmax— предельно возможная концентрация топливных оксидов азота в продуктах сгорания при условии перехода всего азота топлива в NO, % об; Со2— средняя концентрация кислорода на участке образования оксидов азота в факеле, % об; Тmax—максимальная температура в этой области, К. Данное уравнение применимо в интервале температур 1200< <Tmax<1800 К. Для углей месторождений Сибири и Ка­захстана установлено, что степень перехода азотсодержащих соединений в оксиды азота близка к постоянной величине, равной

CNO = CNОтопл / CNOmax =0,20

Величина  CNOmax = Nприв / Vгпр , гдеNприв —приведенная концентрация азота топлива; %/МДж;QHp— теплота сгора­ния топлива, МДж/кг; Nр— доля азота в топливе, %; Vгпр — приведенный объем газообразных продуктов сгорания на 1 МДж теплоты сгорания топлива, м3.

        Реальное количество топливных оксидов азота определя­ется по формуле

CNОтопл  = 10m·Nприв/Vгпр

где m — коэффициент, равный 0,2 для случая сжигания топ­лива в топках крупных паровых котлов. Коэффициент т по­вышается до 0,4 для небольших котлов. При увеличении Nприв  значение коэффициента т снижается.

Концентрация  CNОтопл может достигать, г/м3:

        для фрезторфа — 0,4—0,6;

        для углей — 0,2—0,3;

        для жидких топлив и горючих сланцев — менее 0,1 г/м3.

 Для природного газа топливная составляющая оксидов азота отсутствует.

        Термические оксиды азота образуются в процессе цепной реакции окисления   азота воздуха свободным кислородом. Формальная кинетика реакции описывается уравнением N2+O2 = NO—180 кДж/моль.

    Скорость реакции образования-разложения

                               dCNO/d=k1CN2 CO2-k2(CNo)2,                                          (1)

где константы k1 = 6 • 106[ехр (—Е1/RТ) ]; к2 = 3 X X 106[ехр(—Е2/RТ)]. Энергия активации Е1=542 кДж/моль; Е2=360 кДж/моль.

         В условиях достижения равновесия реакции (1)

СNо = 4,6[Со2СN2 ехр (—21500/RТ) ]1/2.

Я. Б. Зельдовичем разработана ценная схема окисления азота воздуха, в которой активную роль играют свободные атомы кислорода и азота:

1) O2 + М → O + O + М — 494 кДж/моль  (инициирование);

2) O + N2→ NO + N — 314 кДж/моль 

3) N + O2 → NO + 0+314 кДж/моль           (цепь);

4) O + O +М→О2 + М + 494 кДж/моль      (обрыв цели).

        По этой схеме концентрация атомарного кислорода остается неизменной, а скорость процесса определяется реакцией (2). Энергетический барьер этой реакции складывается из энер­гии, требующейся на образование одного атома кислорода (Е1=494/2 кДж/моль), и энергии активации реакции атома кислорода с молекулой азота (Е2=314 кДж/моль). Откуда

Е = Е1+Е2=419/2+314 = 561 кДж/моль.

        Экспериментально установлено, что концентрация оксидов азота линейно увеличивается с увеличением концентрации атомарного кислорода и экспоненциально — с увеличением температуры. Выход оксидов азота определяется максималь­ной температурой в зоне горения я отношением времени ре­акции ко времени установления равновесия. Так как в усло­виях работы топки время реакции всегда меньше времени об­разования равновесной концентрации, то количество образо­вавшегося в зоне горения термического оксида азота всегда меньше равновесных значений. Выход оксидов азота увели­чивается также с ростом коэффициента избытка воздуха, но лишь до значений α≈1,2.

        Совокупность знаний об условиях образования N0х позволяет наметить пути подавления образования термичес­ких оксидов азота, основанные на снижении скорости реак­ции их образования. Такими путями являются:

1. Снижение общего уровня температуры в топке (путем рециркуляции продуктов сгорания с Т<400°С; подачи пара и воды в зону горения и в дутьевой воздух).

2. Снижение максимальных локальных температур в топ­ке (путем усиленной подачи газов рециркуляции, пара и во­ды в зоны максимальных температур).

3. Уменьшение максимальной температуры и содержания кислорода в зоне максимальных температур путем организа­ции ступенчатого горения.

Скачать файл