• Стандарт VXI
• Техника
• Программы
• Применение
• Библиотека

Токсичность продуктов сгорания

Теплотехника. Под ред. Луканина В.Н.

Продукты сгорания оказывают определяющее влияние на энергетические и экологические показатели различных теплотехнических установок.

Однако помимо этих продуктов при сгорании образуется и ряд других веществ, которые вследствие их малого количества не учитываются в энергетических расчетах, но определяют экологические показатели топок, печей, тепловых двигателей и других устройств современной теплотехники. В первую очередь к числу экологически вредных продуктов сгорания следует отнести так называемые токсичные газы.

Токсичными называют вещества, оказывающие негативные воздействия на организм человека и окружающую среду. Основными токсичными веществами являются оксиды азота (NО_x), оксид углерода (СО), различные углеводороды (СН), сажа и соединения, содержащие свинец и серу.

Оксиды азота. Если температура превышает 1500К, то азот и кислород воздуха вступают в химическое взаимодействие по цепному механизму:

N₂+O  NO+N–316 кДж/кмоль,

N+O₂  NO+O+136кДж/кмоль.

Определяющей является первая реакция, скорость которой зависит от концентрации атомарного кислорода. При сгорании топлив образуется главным образом оксид азота NO, который затем в атмосфере окисляется до NO₂. Образование NO увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода и при данной температуре не зависит от углеводородного состава топлива.

Зависимость образования NO от температуры создает определенные трудности с точки зрения увеличения термического КПД теплового двигателя. Например, при увеличении максимальной температуры цикла T_z до 3000К термический КПД цикла Карно h_tк и Отто h_tо возрастает соответственно до 0,9 и 0,66, но расчетная максимальная концентрация NO в продуктах сгорания достигает при этом 10000 ppm или 1,1% по объему (рис. 1).

Рис. 1. Влияние T_zна образование NO_x, термический КПД цикла Карно h_tк и Отто h_tо (Т₀=288, l₀=3,5).

Находящийся в атмосфере NO₂ представляет собой газ красновато-бурого цвета, обладающий в больших концентрациях удушливым запахом. NO₂ оказывает негативное воздействие на слизистые оболочки глаз и носа, а также на нервную систему человека.

Оксид углерода (СО) образуется во время сгорания при недостатке кислорода или при диссоциации СО₂. Основное влияние на образование CO оказывает состав смеси: чем она богаче, тем выше концентрация СО. Оксид углерода – бесцветный и не имеющий запаха газ. При вдыхании вместе с воздухом он интенсивно соединяется с гемоглобином крови, что уменьшает ее способность к снабжению организма кислородом. Симптомы отравления организма газом СО: головная боль, сердцебиение, затруднение дыхания и тошнота.

Углеводороды (СН) состоят из исходных или распавшихся молекул топлива, которые не принимали участия в сгорании. Углеводороды появляются в отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания вследствие гашения пламени вблизи относительно холодных стенок камеры сгорания, в «защемленных» объемах, находящихся в вытеснителях и в зазоре между поршнем и цилиндром над верхним компрессионным кольцом.

В дизелях углеводороды образуются в переобогащенных зонах смеси, где происходит пиролиз молекул топлива. Если в процессе расширения в эти зоны не поступит достаточное количество кислорода, то СН окажется в составе ОГ.

Количество различных индивидуальных углеводородов, входящих в эту группу токсичных веществ, превышает 200. В тех концентрациях, в которых СН содержится в воздухе, например, в зонах с интенсивным движением автотранспорта, они не приносят непосредственного вреда здоровью человека, однако, могут вызвать реакции, которые ведут к образованию соединений, вредных даже при незначительной концентрации.

Так, углеводороды под действием солнечных лучей могут взаимодействовать с NO_x, образуя биологически активные вещества, которые раздражающе действуют на органы дыхательных путей и вызывают появление так называемого смога.

Особое влияние оказывают выбросы бензола, толуола, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и в первую очередь бенз-а-пирена (С₂₀Н₁₂). Эта группа высокотоксичных веществ образуется в результате пиролиза легких и средних фракций топлива при температуре 600…700К. Такие условия возникают вблизи холодных поверхностей цилиндра при наличии там несгоревших углеводородов. Количество ПАУ в ОГ тем больше, чем выше концентрации в топливе бензола. ПАУ относится к так называемым канцерогенным веществам, они не выводятся из организма человека, а со временем накапливаются в нем, способствуя образованию злокачественных опухолей.

Сажа представляет собой твердый продукт, состоящий в основном из углерода. Кроме углерода в саже содержится 1…3% (по массе) водорода. Сажа образуется при температуре выше 1500К в результате объемного процесса термического разложения (пиролиза) при сильном недостатке кислорода. Формально реакция пиролиза выражается уравнением:

С_nH_m  nC+1/2mH₂

Начало образования сажи имеет место при a меньше 0,3…0,7 и зависит от температуры и давления газов, а также от вида топлива. При одинаковом количестве атомов углерода по степени увеличения склонности к образованию сажи углеводороды располагаются следующим образом: парафины, олефины, ароматики.

Наличие сажи в ОГ дизелей обуславливает черный дым на выпуске. Сажа представляет собой механический загрязнитель носоглотки и легких. Большая опасность связана со свойством сажи накапливать на поверхности своих частиц канцерогенные вещества и служить их переносчиком.

Сажа – не единственное твердое вещество, содержащееся в ОГ. Другие твердые вещества образуются из содержащейся в топливе серы, а также в виде аэрозолей масла и несгоревшего топлива. Все вещества, которые оседают на специальном фильтре при прохождении через него ОГ, получили общее название – частицы.

Содержание в ОГ продуктов неполного сгорания (СО, СН и сажи) нежелательно не только из-за их токсичности, но и потому, что при неполном сгорании топлива не выделяется часть теплоты, а это обуславливает ухудшение экономических показателей тепловых установок.

Свинец и сера. Примерно 50…70% свинца, находящегося в бензине, попадает вместе с ОГ в атмосферу в форме свинцовых солей, т.е. в виде частиц диаметром меньше 1 мкм. Эти частицы проникают в организм человека вместе с воздухом и через кожу. Соединения свинца очень ядовиты и не выводятся из организма, накапливаясь в нем. Они негативно воздействуют на центральную нервную систему, вызывая нервные и психические расстройства.

Сера, содержащаяся в дизельном топливе, мазуте и каменном угле, выбрасывается в атмосферу после сгорания этих топлив в форме диокисда SO₂, который очень вреден для растений и способствует возникновению «кислотных» дождей.

Присутствие в ОГ соединений свинца и серы делает невозможным использование каталитических нейтрализаторов, предназначенных для снижения токсичности ОГ.

Некоторые токсичные вещества после того, как они попадают в атмосферу в составе продуктов сгорания, претерпевают дальнейшие преобразования. Например, при наличии в атмосфере углеводородов (или и радикалов), оксидов азота и оксида углерода при интенсивном ультрафиолетовом излучении солнца образуется озон О₃, являющийся сильнейшим окислителем и вызывающий при соответствующей концентрации ухудшение самочувствия людей.

При высоком содержании в малоподвижной и влажной атмосфере NO₂, O₃ и CH возникает туман коричневого цвета, который получил название «Смог» (от английских слов smoke – дым и fog – туман). Смог является смесью жидких газообразных компонентов, он раздражает глаза и слизистые оболочки, ухудшает видимость на дорогах.

Основными источниками выброса токсичных продуктов сгорания являются автомобили, промышленность, тепловые и электрические станции. В некоторых городах содержание в атмосфере токсичных продуктов сгорания превышает предельно допустимую концентрацию в несколько десятков раз. Для борьбы с этим злом в большинстве стран мира приняты соответствующие законы, ограничивающие допустимое содержание токсичных веществ в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

Выполнение предписываемых соответствующими законами норм разрешенного максимального выброса стало одной из центральных задач теплотехники. Во многих случаях управление работой автомобильных двигателей или объектов промышленной теплотехники осуществляется таким образом, чтобы обеспечить требуемый компромисс между их энергетическими, экономическими и экологическими показателями. Во многих случаях достигаемый таким путем уровень экологических показателей превышает разрешенный современными нормами. Поэтому большое знание приобрела нейтрализация и очистка продуктов сгорания перед их выходом в атмосферу. С этой целью используются различные нейтрализаторы и фильтры. Одновременно улучшается состав углеводородных топлив (уменьшение содержания серы, свинца, ароматических углеводородов), расширяется использование газовых топлив. В перспективе применение в качестве топлива водорода полностью исключит содержание в продуктах сгорания СО, СН и других токсичных углесодержащих компонентов.