Diplom (Разработка воздухоохранных мероприятий для снижения вредных выбросов котлов ТПГЕ - 215 Комсомольской ТЭЦ-3), страница 3

2. Горение газообразного топлива и механизмы образования вредных веществ

2.1 Реакция горения газов с кислородом и воздухом

2.1.1 Реакция горения газов с кислородом

Горением называется быстрая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением тепла и резким повышением температуры.

Реакции горения описываются стехиометрическими уравнениями,

характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию

и образующиеся в результате нее вещества.

Реакция горения любого углеводорода может быть выражена следующим общим уравнением [8]:

, (2.1)

где т – число углеродных атомов в молекуле углеводорода;

п – число водородных атомов в той же молекуле;

Q – тепловой эффект реакции.

В результате горения любого углеводорода с кислородом, согласно уравнению (2.1), образуется углекислый газ, вода и кислород.

Так, как используемый природный газ на Комсомольской ТЭЦ-3 состоит примерно на 92% из метана, ниже приведена реакция горения метана с кислородом [8]:

,

Далее, в табличке 2.1 представлены химические реакции горения газов углеводородов с кислородом, которые составляют около 8% от общего состава Сахалинского природного газа, используемого на ТЭЦ-3.

Таблица 2.1

Реакции горения газов с кислородом, входящих в состав Сахалинского природного газа.

Так как вещества реагируют между собой в стехиометрических соотношениях, то о скорости реакций можно судить по уменьшению в единице объема в секунду исходных веществ (или одного из них) или по увеличению количества вновь образующихся веществ.

Схемой стадийного горения метана представляет собой набор следующих реакций [8:]

В действительности этот процесс более сложен и сопровождается одновременным протеканием реакций термического разложения углеводородов.

2.1.2 Реакция горения газов с кислородом

Кислород на большую часть, а именно на 78 %, состоит из азота. На 21 % состоит из кислорода, и в оставшиеся 1% входят такие химические вещества как: аргон, гелий, неон, криптон. В практике для сжигания топлива кислород подают с воздухом.

Реакция горения любого углеводорода с воздухом представлена уравнением [8]:

(2.2)

Из этого уравнения следует, что для сжигания 1 нормального углеводорода необходимо кислорода или воздуха.

В таблице 2.2 приведены химические реакции горения углеводородов, входящих в состав природного газа, используемого на ТЭЦ-3.

Таблица 2.2

Реакции горения газов с воздухом, входящих в состав Сахалинского природного газа.[8]

Потребности в кислороде и воздухе при горении различных газов, подсчитанные по приведенным реакциям горения, представлены в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Теоретическая потребность в сухом кислороде и воздухе

2.2 Теплота сгорания газа и её расчет

Тепловым эффектом реакции горения, или теплотой сгорания газа, называется количество тепла, выраженное в килокалориях (или килоджоулях), которое выделяется при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 н газа. В теплотехнических расчетах теплоту сгорания обычно относят к 1 н газа.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. Высшая теплота сгорания соответствует условиям, при которых водяные пары, образующиеся при реакциях горения, доводятся за счет охлаждения до жидкого состояния. Низшая теплота сгорания описывает более реальные условия сжигания газа. При низшей теплоте сгорании газа водяные пары практически не конденсируются, а удаляются через трубу во внешнюю атмосферу.

Для расчетов высшей и низшей теплоты сгорания сложных газов, которым является Сахалинский природный газ, определяется по химическому составу газа и теплоте сгорания элементов, ккал/ н [8]:

(2.3)

где , , – содержание элементов в газе, %;

, ,… – высшая или низшая теплота сгорания 1 н сухих
компонентов при t = 0 °С и Р = 760 мм рт. ст.

Таблица 2.4

Высшая и низшая теплота сгорания компонентов сухого Сахалинского природного газа при 0 °С и 101,325 кПа

Пользуясь данными таблицы 2.4 мы можем рассчитать высшую и низшую теплоту сгорания 1 н сухого природного газа, используемый на Комсомольской ТЭЦ-3:

92,135 95,1 + 4,254 167,9 + 2,043 241,7 + 0,488 319,6 + 0,069 404,3 + 0,027 447,6=10166,025 ккал/ н

92,135 85,7 + 4,254 153,7 + 2,043 222,6 + 0,488 295,1 + 0,069 374,1 + 0,027 413,6=9185,57 ккал/ н

2.3 Анализ механизмов образования вредных веществ при горении топлива

2.3.1 Механизмы образования оксидов азота при горении природного газа

Азот является составной частью рабочей массы топлива. Содержание азота в топливе относительно не велико: не более 2% в ископаемом угле, не более 0,5 % в антраците, до 1% в торфе и горючем сланце, до 1-1,5 % в топочном мазуте и природном газе. Сахалинский газ содержит 0,137 % азота.

Большая часть оксидов азота поступает в атмосферу в результате природных процессов. А оксиды азота антропогенного происхождения составляет 10 % от общей массы выбросов оксида азота. И ТЭЦ является одним из основных источников выбросов антропогенного происхождения.

Среди различных оксидов азота практическое значение в экологическом аспекте имеют только монооксид и диоксид азота, сумму которых принято обозначать как . Монооксид азота- это прозрачны газ,малоактивный, плохо растворимый в воде газ.. Монооксид азота менее токсичен, чем . Однако в шлейфе дымовых газов из труб ТЭС происходит доокисление , степень которого зависит от большого количества факторов ( метеусловия, химический состав атмосферы, время суток и т.д), и находится в пределах 60-80% [10].

В отличие от диоксид более активный в химическом отношении газ красно-бурого цвета с удушливым и резким раздражающим запахом. Он хорошо растворим в воде. Диоксид азота оказывает отрицательное влияние на организм человека и прежде всего на дыхательную систему.

Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны производственных помещений – 5 мг/м3 (в пересчете на ). Для атмосферного воздуха населенных мест максимально допустимая разовая и среднесуточная концентрация принята равной 0,085 мг/м3.

В настоящее время изучены три принципиально разных источника оксидов азота [10]:

1) образование термических из молекулярного азота воздуха при температуре выше 1300 С (механизм Зельдовича);

2) образование из азота, содержащегося в топливе ( топливные );

3) образование путём реакции молекулярного азота воздуха с углеводородными радикалами («быстрые» ).

Термические оксиды возникают при высоких температурах и достаточном времени пребывания продуктов сгорания в зоне горения из молекулярного азота воздуха, подаваемого в топку котла. Поэтому их концентрации мало зависят от вида топлива. В продуктах сгорания природного газа оксиды азота представлены, как правило, только одним NO, который реагирует с кислородом воздуха, превращаясь в .

Итоговая реакция свободного кислорода с азотом проходит с поглощением тепла [9],