Файл: Природа ВЕЧЕРНИКИ.doc

В пособии описаны основные свойства оксидов азота и их влияние на живые организмы. Рассмотрены механизмы их образования при сжигании органических топлив и методы борьбы с ними.

Показано, что в России основным стратегическим направлением экологической политики является применение режимно-технологических методов подавления образования оксидов азота в топках котлов ТЭС.

Подробно рассмотрены различные режимно-технологические методы подавления образования оксидов азота: рециркуляция дымовых газов, ступенчатое сжигание, специальные горелочные устройства. Приведены результаты применения этих методов на энергетических и водогрейных котлах.

Рассмотрены также методы очистки дымовых газов от оксидов азота.

Учебное издание

Вадим Борисович Прохоров,Николай Дмитриевич Рогалев,

Михаил Георгиевич Лысков

Образование и методы снижения выбросов оксидов азота при сжигании топлив на ТЭС

Учебное пособие по курсу

"Природоохранные технологии"

для студентов, обучающихся по направлению "Теплоэнергетика"

Редактор издательства Н.Л. Черныш

ЛР № 020528 от 05.06.97 г.

________________________________________________________________________________

Темплан издания МЭИ 2000 (II), учебн. Формат 60x84/16 Печать офсетная

Подписано в печать 30.11.01 Печ. л.2,0 Тираж 300 Изд. № 150 Заказ № Цена 6 руб. ________________________________________________________________________________

Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказарменная, д. 14

Отпечатано в типографии ЦНИИ "Электроника", 117415, Москва, просп. Вернадского д.39

 Московский энергетический институт 2001

ISBN 5-7046-0708-X

Введение

Преобладание органических топлив в общем балансе энергопотребления России и всего Мирового сообщества еще многие годы будет концентрировать внимание экологов на проблеме загрязнения биосферы Земли вредными веществами, образующимися при сжигании топлив в энергоустановках ТЭС (ТЭЦ). Исследования комиссии МИРЭС “Энергия для завтрашнего Мира” показывают, что к 2020 году произойдет резкий рост энергопотребления, при этом доля органических топлив будет оставаться высокой: в среднем 72%. Учитывая, что основной прирост энергопотребления произойдет за счет развивающихся стран (до 85 %), проблема охраны природной среды Земли будет решаться на территории этих стран, а основную роль в ее решении будут играть страны, обладающие наиболее совершенными природоохранными и энергосберегающими технологиями, т.е. развитые страны Северной Америки и Европы. Видное место здесь должно принадлежать России, как стране, накопившей значительный опыт разработки и внедрения природоохранных технологий.

Известно, что при сжигании органических топлив образуются различные вредные вещества, загрязняющие всю биосферу Земли: двуокись углерода, различные формы оксидов азота и серы, окись углерода, а также особо токсичные вещества такие как пятиокись ванадия или органические соединения, входящие в группу многоядерных ароматических углеводородов (МАУ), многие из которых являются канцерогенами. Происходит образование и выброс парниковых газов (в первую очередь СО), увеличение концентрации которых в атмосфере может привести к увеличению температуры на земле.

С 80-х годов по настоящее время в топливном балансе нашей страны непрерывно увеличивалась доля природного газа. В 1999 году она составила 65%, что более чем в три раза выше среднемирового значения использования природного газа в энергетике. Это позволило значительно сократить выбросы вредных веществ, не вкладывая больших средств в природоохранные мероприятия, так как при сжигании природного газа отсутствуют выбросы оксидов серы, золы, пятиокиси ванадия, а выбросы оксидов азота можно значительно сократить за счет первичных недорогих методов их подавления. При сжигании природного газа значительно меньше и удельные выбросы СО(на единицу выработанной тепловой или электрической энергии). В ближайшей перспективе предстоит значительное увеличение доли твердого топлива в топливном балансе страны, что сильно обострит проблему загрязнения атмосферного воздуха от выбросов тепловых электростанций.

1.Основные свойства оксидов азота, механизмы образования, методы борьбы с выбросами оксидов азота

Среди различных форм оксидов азота: N₂O, NO, N₂O₃, NO₂, N₂O₄, N₂O₅_{__} практическое значение в экологическом аспекте имеют оксид и диоксид (NO и NO₂), сумму которых в пересчете на NO₂принято обозначать как NO_x. Оксид азота прозрачный, бесцветный газ, превращающийся в жидкость при температуре -151,7 C и атмосферном давлении.

Плотность NO (при t=20 C)1,34 кг/м³.Это химически малоактивный, плохо растворимый в воде газ. Оксиды азота, образующиеся при сжигании топлив и содержащиеся в дымовых газах на 97-99 % состоят из NO [1,2]. Монооксид азота относительно менее токсичен: установленные в России величины максимально разовой и среднесуточной предельно допустимой концентрации для NO соответственно равны ПДК^Р_NO=0,4 мг/м³; ПДК^С_NO=0,06 мг/м³. Однако в шлейфе дымовых газов происходит доокисление NO до NO₂, при этом могут происходить следующие реакции:

2 NO + O₂=2 NO₂; (1)

NO + O₃= NO₂+O₂; (2)

NO + RO₂= NO₂+ RO; (3)

NO₂+O₂+УФ. комп. света =NO +O_3. (4)

По мнению автора, [1] для обычных условий распространения шлейфа дымовых газов при интенсивном турбулентном перемешивании наибольшее значение имеет в нижних слоях атмосферы реакция (2). Из-за малой химической активности NO реакция (1) может протекать только при относительно высокой концентрации оксидов азота (на выходе из дымовой трубы, когда газы еще не разбавлены атмосферным воздухом). Скорость этой реакции уменьшается при снижении концентрации NO и быстро становится несущественной. Еще меньшую роль играет реакция (3). Она протекает лишь при высокой концентрации углеводородных радикалов и интенсивном ультрафиолетовым облучении. Таким образом: степень трансформации NO в NO_2, в основном, зависит от концентрации озона в приземном слое атмосферы и от загрязнения воздуха оксидами азота. Вопрос это очень важный, так как токсичность NO₂в несколько раз превосходит токсичность NO.

В сельских районах со сравнительно чистой атмосферой в летнее время года, когда возрастает концентрация озона в атмосферном воздухе, значительная часть оксидов азота доокисляется до NO₂ . Зимой в районах с повышенным загрязнением воздуха оксидами азота в приземном слое атмосферы будет преобладать оксид азота. В целом этот процесс изучен еще недостаточно. Исследованиями МЭИ было установлено, что для города Москвы зимой степень трансформации NO в NO₂ не превышает 60 %, а летом – 80 %. В настоящее время в нашей стране законодательно принято, что степень трансформации NO в NO₂в приземном слое атмосферы независимо от времени года и района расположения следует принимать равной 80 %.

NO₂ более активный в химическом отношении газ красно-бурого цвета с удушливым и резким раздражающим запахом. NO₂хорошо растворим в воде, легко сжижается при атмосферном давлении и 21,15C в красно-бурую жидкость, которая при t=10,2 C твердеет, образуя бесцветные кристаллы. Плотность NO₂(при 20 С) равна 1,491 кг/м³. Диоксид азота оказывает отрицательное влияние на здоровье людей. Проявляется это, прежде всего поражением дыхательной системы, легких. Крайне опасным для жизни может оказаться даже кратковременное вдыхание воздуха с концентрацией диоксида азота=200500 мг/м³. Особенно подвержены воздействию оксидов азота дети.

Большую опасность для живых организмов представляет образование еще более вредных, канцерогенных веществ в реакциях с участием оксидов азота. Диоксид азота, обладая высокой поглощающей способностью в ультрафиолетовой области спектра, при наличии в воздухе других загрязняющих ингредиентов, например, углеводородов, вступает с ними в реакции с образованием фотохимических туманов-смогов, содержащих ядовитые вещества. Представленная ниже схема образования смога типа лос-анжелесского являет собой наглядный пример синергизма (общий эффект больше суммы отдельных эффектов) [3]:

Оксиды азота + Углеводороды + =Пераксиацетилнитрат (PAN) + Озон (О). (5)

Образующиеся в ходе подобных реакций неизвестные природе ядовитые химические вещества особенно опасны, так как в природе не выработаны защитные механизмы по их нейтрализации. Накапливаясь в атмосфере, эти вещества могут оказывать самые неблагоприятные, включая генетические воздействия на живые организмы.

Необходимо упомянуть о кислотных дождях, связанных с выбросами оксидов азота в атмосферу, приносящих большой ущерб водным и лесным экосистемам, сельскохозяйственным угодьям, а также о парниковом эффекте и озоновом слое атмосферы Земли, в разрушении которого, по мнению ряда ученых, участвует гемиоксид азота N₂O.

Основное количество оксидов азота (до 1100 млн. тонн в год) поступает в атмосферу Земли в результате природных процессов. Количество оксидов азота антропогенного происхождения менее 10 % от этой величины. Однако, они представляют наибольшую опасность, так как сосредоточены в центрах цивилизации. Именно из-за антропогенных выбросов в десятках городов России превышаются допустимые концентрации вредных веществ в т.ч. оксидов азота.