диплом для архива (1222348), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

3.1 Анализ механизмов образования оксидов азота при горении жидкого топлива

При сжигании органических топлив азот, содержащийся в воздухе и топливе, становится реакционно – способным и, соединяясь с кислородом, образует оксиды: NO_x = NO+ NO₂. Экспериментальные и промышленные исследования показали, что основная доля образовавшихся NO_x, а именно 95 – 100%, приходится на монооксид (оксид) азота NO. Диоксид NO₂ азота образуется в значительно меньшем количестве, и его доля примерно составляет – 4% [7].

Оксид азота NO – бесцветный газ является сильнейшим ядом, действующим на кровь и нервную систему. Диоксид азота NO₂представляет собой пар буро – красного цвета. Оказывает раздражающее воздействие на дыхательные пути, приводит к отеку легких [7].

Существуют два принципиально различных источника образования оксида азота NO при горении органических топлив. Это – окисление атмосферного (молекулярного) азота N₂ воздуха, используемого в качестве окислителя при горении, и окисление азотсодержащих составляющих топлива. В первом случае образуются термические и «быстрые» оксиды азота, а во втором – топливные NO [7].

Термические оксиды азота образуются при горении любых топлив в области высоких температур, если в качестве окислителя используется воздух. Окисление молекулярного азота объясняется термической теорией и происходит по цепному механизму:

O₂+M O+O+M – инициирование цепи, (3.1)

N₂+O NO+N, (3.2)

N+O₂ NO+O, (3.3)

O+O+M O₂+M – обрыв цепи. (3.4)

Данная схема получила название термического механизма акад, Я.Б. Зельдовича [7]. Позднее он был дополнен реакцией атомарного азота с гидроксилом:

N+OН NO+Н. (3.5)

В связи с высокой энергией активации реакций образования NO эмиссия оксидов азота происходит при температуре, превышающей 1800 К. В начале зоны горения концентрация термических NO интенсивно возрастает, достигая наибольшего значения непосредственно за зоной максимальных температур, и в дальнейшем не меняется по длине факела (рисунке 3.1) [7].

На выход термических оксидов азота оказывают влияние различные факторы. В зоне горения наибольшее влияние имеет температура, с увеличением которой происходит экспоненциальный рост образования NO. Увеличение времени пребывания в зоне горения также приводит к почти прямо пропорциональному росту эмиссии оксида азота [7].

Зависимость выхода NO от коэффициента избытка воздуха имеет вид экстремальных кривых с максимумами в области значений α_кр=1,05-1,25 (рисунке 3.2). Рост концентрации оксида азота до α_кр объясняется тем, что при малых избытках воздуха увеличение концентрации свободного кислорода способствует более активному протеканию реакции окисления азота воздуха, а при увеличении α в закритической области снижение температуры в зоне горения влияет в большей степени, чем увеличение концентрации кислорода [7].

Проведенные исследования показали, что при сжигании углеводородных топлив замеренная скорость образования NO в зоне горения была существенно выше, чем скорость образования термических оксидов азота в послепламенной зоне, оцененная по реакциям (1.1) – (1.4). При этом вблизи зоны горения наблюдались значительные количества цианида водорода НСN, а быстрое образование NO вблизи пламени соответственно появлению НСN (рисунок 3.3) [7].

Рисунок 3.1 Динамика образования оксида

азота в гозовоздушном факеле

Рисунок 3.2 Вывод термических оксидов азота в

зависимости от коэффициента избытка воздуха за

конвективным перегревателем

Рисунок 3.3 Содержание цианида

водорода и оксида азота в факеле этилена

Такое ускоренное образование NO в корневой части факела было названо «быстрым» и объясняется реагированием молекулярного азота с углеводородными радикалами, образующимися в промежуточных реакциях горения [7]:

СН+ N₂ НСN+ N, (3.6)

СН₂+ N₂ НСN+ NН, (3.7)

С+ N₂ СN+ N. (3.8)

Цианистые соединения (НСN, СN) далее реагируют с образованием аминов (NН, NН₂, NН₃). Последние, в свою очередь, взаимодействуют с промежуточными радикалами, образуя как оксид азота, так и молекулярный азот [7]:

NO

+RO

HCN (или CN)+R NH_i (3.9)

+RN

N₂

Реакции (3.6) – (3.9) протекают достаточно энергично уже при температурах 1200 – 1600 К, когда образование термических оксидов азота практически не происходит [7].

Так же, как и в случае термических оксидов азота, зависимость образования «быстрых» оксидов азота NO от избытков воздуха имеет экстремальный характер. Однако максимальные выходы «быстрых» NO наблюдается при горении богатых смесей (α=0,6-0,8) и увеличиваются с ростом температуры в зоне реагирования (рисунок 3.4) [7].

Доля «быстрых» оксидов азота в суммарном выбросе NO_х, образующихся в энергетических паровых котлах, как правило, не превышает 10 – 15%. В то же время, в котлах малой мощности с суммарным выбросом NO_х до 300 – 400 мг/м³, доля «быстрых» оксидов азота может возрасти до 30 – 50% [7].

Азотсодержащие соединения, входящие в состав жидких и твердых топлив, являются источником образования топливных оксидов азота. Ввиду того, что энергия диссоциации связей N-N в 2-4 раза превосходит энергию диссоциации связей C-N и N-H,азотсодержащие соединения, входящие в состав топлива, легче превращаются в NO, чем молекулярный азот воздуха. Превращение азота топлива в оксиды азота происходит при наличии в зоне реакции достаточного количества кислорода уже при температурах 950 – 1300 К [7].

Рисунок 3.4 Зависимость концентрации «быстрых»

оксидов азота от коэффициента избытка воздуха

Механизм эмиссии топливных оксидов азота является многоступенчатым и еще изучен не до конца [7].

При горении твердых и жидких азотсодержащих топлив органические нитросоединения, присутствующие в топливе, вероятно, претендуют некоторое термическое разложение, прежде чем попасть в зону горения. Предшественниками образования NO должны быть, азотсодержащие соединения с малой молекулярной массой, к примеру, NH₃, HCN, CN. Вот почему в случае сжигания твердых и жидких топлив в потоке воздуха образование топливных оксидов азота протекает достаточно быстро – в основном на стадии выгорания летучих, которая завершается на начальном участке факела [7].

Коэффициент превращения (или степень конверсии) азотсодержащих компонентов топлива в оксиды азота изменяется в зависимости от содержания связанного азота в топливе N^p. при очень низком содержании N^p имеет место почти полная конверсия в NO [7].

Рост содержания N^p до 1-1,3% снижает конверсию до 16-25% в зависимости от температуры и вида топлива (рисунок 3.5). В отличие от термических оксидов азота выход NO из азота топлива сравнительно слабо зависит от температуры, но чрезвычайно чувствителен к влиянию концентрации кислорода (рисунок 3.6). При незначительной температуре выход топливных оксидов азота пропорционален квадрату средне интегральной концентрации кислорода в факеле [7].

Рисунок 3.5 Степень конверсии топлива в

топливный оксид азота

Рисунок 3.6 Образование топливных NO в зависимости

от начальной концентрации кислорода в факеле

При типичных условиях факельного сжигания топлив в котлах концентрации диоксида азота NO₂, как правило, пренебрежимо малы по сравнению с содержанием NO и обычно составляют от 0-14 мг/м до 40-60 мг/м³ [7].

Экспериментальные исследования выявили, что образование диоксида азота происходит в двух зонах: предпламенной и послепламенной. В первой зоне образовавшийся NO₂ полностью разлагается. В то же время быстрое перемешивание горячих и холодных областей в турбулентном пламени может привести к быстрому замораживанию NO₂, что является причиной появления относительно больших концентраций диоксида азота в холодных зонах потока. Эмиссия NO₂ в послепламенной зоне происходит в верхней части топки и в горизонтальном газоходе (при Т 900 – 1000 К) и при определенных условиях также может достигать заметной величины [7].

3.2 Анализ механизмов образования продуктов неполного горения оксидов серы при сжигании мазута

Содержащаяся в топливе сера является источником образования оксидов серы SO₁, сернистого SO₂ и серного SO₃ ангидридов. Суммарный массовый выброс SO_х зависит только от содержания серы в топливе S^р [7].

Сера S в твердых топливах может содержаться в трех видах: органическая S, сульфатная S_с и колчеданная S_к. Органическая сера входит в состав сложных высокомолекулярных органических соединений топлива. Колчеданная сера представляет собой ее соединения с металлами (чаще железный колчедан FeS₂) и входит в минеральную часть топлива. Сульфатная сера входит в минеральную часть топлива в виде сульфатов щелочных металлов (CaSO₄ и MgSO₄) и поэтому в процессе горения дальнейшему окислению не подвергается и переходит в золу. В состав газообразных топлив сера входит только в виде сероводорода H₂S или сернистого ангидрида SO₂. Сера в мазуте входит главным образом в состав сераорганических соединений и в меньшей степени она присутствует в виде сероводорода H₂S и серы элементарной [7].

, (3.10)

, (3.11)

, (3.12)

Часть SO₂ (1-5%) затем доокисляется до серного ангидрида SO₃ в ходе гомогенных реакций непосредственно при горении топлива [7]:

, (3.13)

где М – любая частица или молекула;

, (3.14)

а также в результате протекания гетерогенных реакций окисления SO₂ на поверхностях нагрева с участием катализаторов, которыми могут быть V₂O₅, Fe₂O₃ [7]:

, (3.15)

Образование оксидов серы при сжигании сернистых топлив в топочных устройствах паровых котлов в основном происходит на начальном участке факела [7]. Наиболее высокие концентрации SO₃, в несколько раз превышающие равновесные, наблюдаются в непосредственной близости от горелки. Конечная концентрация серного ангидрида SO₃ в продуктах сгорания не превышает тысячных долей процента и зависит от состава топлива, режима горения, конструкции котла и состояния поверхностей нагрева (рисунок 3.7), как правило, доля SO₂, составляет 97 – 99%, а доля SO₃ – 1-3% от суммарного выхода SO_х. Фактическое содержание SO₂ в уходящих из котлов газах колеблется от 0,08 до 0,6% об., а концентрация SO₃ – от 0,0001 до 0,008% об.

Характеристики

Список файлов ВКР