Оксид углерода составляет около половины от общего весового количества всех вредных веществ, поступающих в воздушный бассейн городов. Более половины этого количества (десятки миллионов тонн в год) составляют выбросы автомобильного транспорта, остальное - агломерационные производства черной металлургии и другие, более мелкие источники (отопительные котлы, вагранки и др.).
Оксид углерода - высокотоксичное вещество. Уже при концентрации СО в воздухе порядка 0,01 - 0,02 об.% при вдыхании в течении нескольких часов возможно отравление, а концентрация 0,2 об.% (2,4 мг/м3) через 30 мин приводит к обморочному состоянию.
Свойства СО:
· 4 класс опасности. ПДК=3мг/м3
· Т кипения = -191 °С.
· Т плавления = -205 °С.
· Плотность при нормальных условиях = 1,25 кг/м3.
· Растворимость в воде = 0.44 г/100 см3 воды при Т=0 °С.
Источники:
· автотранспорт и двигатели внутреннего сгорания
· коксохимическое производство
· производство чугуна (процессы, которые происходят при большом недостатке окислителя.)
Оксид углерода и другие продукты неполного сгорания.
Одной из наиболее значительных групп токсичных веществ, попадающих в атмосферный воздух, являются продукты неполного сгорания топлива: оксид углерода СО, альдегиды (главным образом, НСНО), органические кислоты (уксусная (СН3СООН) и др.) и углеводороды. В этой группе наибольшее значение имеет оксид углерода. Если содержание пыли, оксидов серы и оксидов азота в атмосферном воздухе городов определяется уровнем выброса токсичных веществ с продуктами сгорания топлива, сжигаемого в топках котлов и печах, то содержание оксида углерода на улицах больших городов на 75-97 % определяется автотранспортом.
Оксид углерода составляет около половины от общего весового количества всех вредных веществ, поступающих в воздушный бассейн городов. Более половины этого количества (десятки миллионов тонн в год) составляют выбросы автомобильного транспорта, остальное - агломерационные производства черной металлургии и другие, более мелкие источники (отопительные котлы, вагранки и др.).
Оксид углерода - высокотоксичное вещество. Уже при концентрации СО в воздухе порядка 0,01-0,02 об.% при вдыхании в течение нескольких часов возможно отравление, а концентрация 0,2 об, % (2,4 мг/м3) через 30 мин приводит к обморочному состоянию.
Оксид углерода вступает в реакцию с гемоглобином крови, образуя карбоксигемоглобин (СО)Hb. К настоящему времени обычное содержание (СО)Hb у жителей крупных городов составляет: у некурящих 1,2-1,9%, а у курящих в 2 раза больше. Содержание (СО)Hb в крови, не зависящее от внешних источников, составляет 0,4%. Однако за 3-4 ч после окончания вдыхания СО кровь здорового человека наполовину очищается от (СО)Hb.
Схема образования и выгорания СО при горении углеводородов имеет следующий характер: на начальном участке выгорания углеводородов идет накопление оксида углерода, а затем его окисление по длине камеры сгорания. Так, при горении метана в факеле и общей длине факела L=10d (где d - диаметр воздушного канала) на расстоянии (0-2)d обычно происходит накопление СО от О до 2-3%, а на последующем участке - (2-10)d, т.е. постепенное снижение концентрации до конечных значений 0,1-0,01 % в зависимости от совершенства организации процесса горения.Однако в действительности накопление СО при горении происходит в результате быстрых реакций:
СН3+О→НСНО+Н;
НСНО+М→СНО+Н;
СНО+М→СО+Н;
СНО+ОН→СО+Н2О.
Окисление СО в топочной камере в результате реакции:
СО+О2→СО2+О
не играет заметной роли ввиду очень малой скорости.
Основной реакцией, по которой выгорает оксид углерода в топочной камере, является реакция с гидроксилом:
СО+ОН↔СО2+Н.
Задача снижения выбросов оксидов углерода при работе двигателей внутреннего сгорания является одной из важнейших проблем современного автомобилестроения. Автомобили с карбюраторными двигателями выбрасывают до 5 % и более оксида углерода от объема выхлопных газов. При правильной регулировке двигателя это количество может быть уменьшено до 0,15-0,20%. Поэтому необходимо создавать приборы для экспресс методов контроля состава топливовоздушной смеси и определения содержания оксида углерода в продуктах горения, разрабатывать методы очистки продуктов сгорания от оксида углерода.
Важнейшими задачами является перевод на сжатый природный и сжиженный газ, а также на смесевое топливо (бензин+газ) автобусов и грузового автотранспорта, а впоследствии и части легкового автотранспорта. Проведенные исследования показывают, что при переводе двигателей с бензина на газ выброс в атмосферу СО снижается в 10-15, выброс углеводородов в 5-10, оксидов азота в 2 раза.
В США, Японии, ФРГ и других странах с 80-х годов значительное число автомобилей оснащено нейтрализаторами СО. Большинство конструкций нейтрализаторов представляет собой насадку на выхлопную трубу, в которой содержатся решетки, трубочки или шарики из носителя (обычно, Аl2O3), покрытого тонким слоем катализатора - оксида платины (или других металлов) для окисления СО и СО2.
Из стационарных установок к крупнейшим источникам выброса следует отнести в первую очередь агломерационные фабрики, каждая из которых выбрасывает 1-7 млн м3/ч аглогазов, содержащих до 1 % СО, а также кислородные конвертеры (70-90% в продуктах сгорания), электросталеплавильные печи (23- 32 % СО), вагранки (8-5 %), мартеновские печи (до 1 %), котлы малой производительности. В металлургических агрегатах, где концентрация оксида углерода велика, его обычно дожигают в котлах-утилизаторах или специальных печах, с предварительным обогащением продуктов сгорания воздухом. Выброс СО котлами происходит в основном при работе на твердом топливе и при неудовлетворительном регулировании процесса горения.
Отопительные установки выбрасывают в атмосферу в 20 раз больше оксида углерода на единицу теплоты, чем промышленные котельные, и в 500 раз больше, чем электростанции. При сжигании угля в мелких установках выброс оксида углерода превышает 2 % от массы топлива, а при сжигании мазута и газа до 0,05 %.
На концентрацию в конечных продуктах сгорания наряду с кинетическими факторами (ССО; СО2; СН2О; t) влияют также аэродинамика топочной камеры; эффективность перемешивания холодного топливовоздушного потока с рециркулирующими продуктами сгорания; расположение поверхностей нагрева по отношению к факелу; взаимное расположение горелок и некоторые другие факторы.
Данные о незначительности выброса СО при сжигании мазута и газа и прогноз уменьшения его (практически до нуля) при переводе установок с угля на жидкое и газообразное топливо не всегда подтверждаются. Анализ работы котлов паропроизводительностью до 10 т/ч показывает, что при переводе их с угля на газовое топливо при очень тщательной регулировке системы автоматики можно снизить содержание оксида углерода до 0,01 %, в реальных условиях до 0,02%. Так как выброс котельными установками и печами суммируется с выбросом автотранспорта, следует обеспечить снижение выброса СО малыми установками путем правильного регулирования горения.
Наряду с оксидом углерода в продуктах сгорания газа в ряде случаев обнаруживается также формальдегид (НСНО) и другие продукты неполного горения (органические кислоты и т. д.). Наиболее существенное значение имеет формальдегид, обладающий высокой токсичностью и резким неприятным запахом. Наличие формальдегида в значительных количествах отмечалось при горении жидкого топлива и природного газа в малых установках при общем или локальном недостатке воздуха.
Изучение работы малых котлов, используемых для отопительных и коммунальных нужд (паропроизводительность менее 10 т/ч), показало, что концентрации формальдегида для котлов этой группы находятся в пределах 0,0037-0,031 мг/л продуктов сгорания и могут различаться на целый порядок в зависимости от режимных и конструктивных особенностей работы топки. При сжигании жидкого топлива концентрация в продуктах сгорания тех же котлов была ниже (0,0025- 0,0080 мг/л), чем при сжигании газового топлива. На образование формальдегида в топках существенное влияние оказывает переохлаждение фронта горения потоками избыточного вторичного воздуха или соприкосновением с холодными поверхностями нагрева. В дымовых газах котлов, работающих на мазуте или природном газе, обычно обнаруживается от 0 до 70 мг/м3 НСНО. Увеличение α от 1,1 до 1,7 приводило к увеличению содержания НСНО в дымовых газах котлов, например, в котле ДКВР-10-13 с горелками ГМГ от 0,2 до 0,5 мг/м3, а в другом котле ДКВР-10-13 с горелками ГА-110 от 0,7 до 1,0 мг/м3.
В продуктах сгорания также обнаруживаются углеводороды и органические кислоты. Обычно содержание формальдегида и органических кислот является заметным лишь при высоком содержании СО в продуктах сгорания.
Основные задачи по снижению содержания СО в двигателях:
а) регулирование карбюраторов и организация контроля;
б) широкое производство и применение каталитических нейтрализаторов;
в) перевод части автотранспорта на сжатый природный, сжиженный газ, смесевые топлива;
г) постепенный перевод части автотранспорта на электрические и другие двигатели, не связанные с выбросом вредных веществ в атмосферу.
Для снижения выбросов СО стационарными источниками необходимо осуществить ряд мероприятий, основные из которых: