Курсовая работа (т): Снижение выбросов бенз(а)пирена в атмосферу

Снижение выбросов бенз(а)пирена в атмосферу

Введение

Бенз(а)пирен относится к классу полициклических ароматических углеводородов, молекулярная формула , температура плавления 177,5 °С, температура кипения 312 °С.

Структурная формула бенз(а)пирена

Бенз(а)пирен представляет собой твердое кристаллическое вещество в виде игл бледно-желтого цвета, плохо растворим в воде (0,012 мг/л), образует с водой коллоидные растворы. Хорошо растворяется в концентрированной серной кислоте, эфире, бензоле и толуоле. Бенз(а)пирен разрушается под действием ультрафиолетового излучения, токов высокой частоты, озона и сильных концентрированных кислот.

1. Условия образования бенз(а)пирена

Чистый бенз(а)пирен получают перегонкой каменноугольной смолы в вакууме с последующей кристаллизацией, а также пиролизом керосина с последующим гидрированием в присутствии катализаторов.

Механизм образования полициклических ароматических углеводородов при сжигании топлив к настоящему времени изучен недостаточно. Считается, что при высоких температурах ПАУ синтезируются из алифатических и простых ароматических углеводородов по реакции свободных радикалов. Первичные радикалы образуются при разрыве углеродно-водородных и углеродно-углеродных связей исходных углеводородов (первая фаза процесса). Во второй фазе из первичных радикалов происходит синтез ПАУ путем последовательного соединения цепей и дегидрирования.

По мнению Н. В. Лаврова, БП является простейшим соединением сажи. На примере пиролиза метана он выдвигает два варианта образования БП - ацетиленовый при высоких температурах и дифенильный - при пониженных.

Согласно теории ацетиленового механизма начальная стадия процесса описывается формулами:

                                    +           H +

H +           + H

H +           + H

Химические соединения , ,  обнаружены при взрывном горении ацетилена масс - спектральным методом.

Аналогично ацетилену триацетилен , легко вступающий в реакцию полимеризации, может, образовать, по мнению Н.В. Лаврова, полирадикал, представляющий собой зародыш сажи.

Согласно теоретической концепции П. А. Теснера молекула сажи образуется в результате дальнейшего роста зародыша сажи. На Одной из стадий сажеобразования возникает БП.

При усложнении и развитии решетки полициклического углеводорода образуется класс соединений, называемых низкотемпературной сажей. Общее стехиометрическое уравнение процесса:

 =  + 3 + α · H + β ·

Практика получения сажи из жидкого топлива и в процессе пиролиза угля подтверждает возможность ее образования при низких температурах. В этом случае основным элементом углеводородов, имеющих циклическую структуру, является дифенил, образующийся по реакции:

 ·  + ,

а молекула сажи по уравнению:

α ·  ·  + (5α - n        /2)

Для построения молекулы БП необходимы одна молекула дифенила и две - дивинила. Дивинил образуется по радикально-цепной реакции из этилена:

 +  + H

И вступает в реакцию с дифенилом:

2 +  ·  + 5

В процессе горения тяжелого жидкого топлива БП может также образовываться в результате деструкции высокомолекулярных соединений непосредственно до БП или в результате синтеза из продуктов деструкции. Кроме того, следует отметить, что в составе жидкого и твердого топлива, используемого на ТЭС, присутствуют ПАУ; таким образом в принципе возможен и прямой переход БП из топлива в продукты сгорания вместе с невыгоревшими сажистыми и коксовыми частицами. В адсорбированном состоянии реакционная способность и без того малореакционных ПАУ еще ниже. Подобные благоприятные условия перехода ПАУ из топлива в продукты сгорания имеют место в топках котлов небольшого объема и с высокой степенью экранирования, что характерно для отопительных котлов.

Таким образом, имеющихся представлений о механизме реакций явно недостаточно для постановки модельных расчетов, однако они объясняют качественные закономерности и позволяют определить основные критерии оценки уровня образования БП и других ПАУ в топках котельных установок.

2.      Экологическая характеристика бенз(а)пирена

По степени воздействия на организм человека БП отнесен к I классу (вещества чрезвычайно опасные). Иногда БП называют бластомогенным веществом, т.е. веществом, способным вызывать всевозможные опухоли и новообразования в живом организме, как злокачественные (рак и саркома), так и другие (аденома, папиллома и т.п.).

В результате проведения опытов над животными и изучения случаев профессиональных заболеваний раком определено, что вообще все полициклические ароматические углеводороды обладают бластомогенными свойствами, а многие из них, например БП, канцерогенны.

Известно также, что наличие БП в каждой конкретной среде подразумевает присутствие в ней большинства других ПАУ. Учитывая то, что БП является среди них наиболее сильным канцерогеном, его 'принято считать своеобразным индикатором и показателем канцерогенной опасности изучаемой среды.

Механизм канцерогенного действия БП, как и других ПАУ, в настоящее время недостаточно ясен. Есть предположение, что опухоли вызывает не сам БП, а продукты его расщепления в организме, называемые в медицине метаболитами. При совместном действии различных ПАУ, в зависимости от их сочетания, бластомогенные и канцерогенные свойства могут как усиливаться, так и ослабляться. Изучение механизма канцерогенного воздействия БП, как и других ПАУ, затруднено значительной временной отдаленностью последствий контакта. Опухоли появляются после длительного периода, в течение которого протекает ряд процессов и изменений в организме. Возможно, что ПАУ при этом дают только первоначальный толчок - начало цепи преобразований. В этом заключается принципиальное отличие действия бластомогенных и канцерогенных веществ от действия токсикогенов. При воздействии канцерогенных веществ опухоли появляются через 1/5-1/7 продолжительности жизни живого организма (для человека - 10-14 лет).

Канцерогенное действие ПАУ проявляется в результате проникновения в организм, накопления определенного их количества и при определенной длительности контакта. Очевидно, что накопление канцерогенных веществ в организме зависит от вносимой дозы, скорости их разрушения в организме и выделения как самих канцерогенных веществ, так и продуктов их распада. Установлено, что человеческий организм в наибольшей мере накапливает и удерживает БП в детском возрасте и в возрасте старше 50 лет.

Кроме непосредственного воздействия, БП, как и другие ПАУ, попадая в атмосферу и взаимодействуя с оксидами азота, под влиянием солнечной радиации образует фотохимические оксиданты - компоненты фотохимического смога, что является дополнительным фактором ухудшения экологической обстановки.

На основании результатов исследований онкологов и гигиенистов в нашей стране установлены следующие предельно допустимые концентрации для БП: 1 •  мг/м3 (среднесуточная) - для воздуха населенных мест; 1,5 •  мг/м3 - для воздуха рабочей зоны; 2 •  мг/г - для воздушно-сухой почвы и 5 •  мг/л для поверхностных вод.

3.      Условия нормирования выбросов бенз(а)пирена с уходящими газами котельных установок

В соответствии с «Инструкцией по нормированию выбросов загрязняющих веществ в атмосферу для тепловых электростанций и котельных». РД 153-34.0-02.303-98 для котлов паропроизводительностью более 30 т/ч БП не входит в перечень загрязняющих веществ, выбросы которых подлежат обязательному нормированию.

Вместе с тем на основании того же документа в районах с неблагоприятной экологической обстановкой местные органы Минприроды России вправе требовать от ТЭС и котельных предоставления данных по содержанию БП в уходящих газах котлов независимо от их мощности и устанавливать нормативы на выбросы, если при расчетах рассеивания они создают свыше 0,05  в атмосферном воздухе. Что же касается котлов малой мощности, то для них БП включен в перечень веществ, выбросы которых подлежат обязательному учету и нормированию.

Следует иметь в виду, что для БП установлено только среднесуточное значение. В этом случае в соответствии с «Методикой расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий» ОНД-86 при расчетах рассеивания валовых выбросов БП следует принимать  = 10.

4.      Влияние конструктивных особенностей и режимных параметров котлов на образование бенз(а)пирена при сжигании различных топлив

котел газ выброс топливо

Известно, что БП является одним из продуктов пиролиза любого углеводородного топлива, поэтому он и другие ПАУ образуются в той или иной степени при всех процессах, связанных с термической переработкой топлива. В связи с этим основными источниками поступления ПАУ в атмосферу являются коксохимия, металлургия, автомобильный и авиатранспорт, а также в определенной степени теплоэнергетика.

Вопросы определения вклада объектов энергетики в общее загрязнение окружающей среды БП следует рассматривать в двух аспектах - это выбросы БП котлами средней и большой мощности (свыше 25 МВт) и выбросы паровыми и водогрейными котлами малой мощности. В первом случае накоплен достаточно большой экспериментальный материал по содержанию БП в продуктах сгорания газомазутных котлов при различных режимах сжигания топлива и в гораздо меньшей степени - для пылеугольных. Что же касается котлов малой мощности, то имеющиеся данные в этой области крайне ограниченны и противоречивы.

.1 Газомазутные котлы

Анализ имеющихся экспериментальных данных и представления о механизме образования БП в процессах пиролиза топлива позволяют сделать вывод о том, что применительно к газомазутным котлам уровень выбросов БП с уходящими газами определяется режимами сжигания топлива; конструкция котла играет при этом второстепенную роль. По данным большинства авторов, зависимость содержания БП от режимных параметров такая же, как и для других продуктов неполного горения (сажа, СО).

В связи с этим очевидно, что определяющими режимными факторами для образования БП являются коэффициент избытка воздуха в топке, температурный режим и условия смесеобразования.

Кроме того, выявлено, что применение на газомазутных котлах технологических методов подавления образования оксидов азота, связанных с замедлением процесса смесеобразования, снижением температуры факела и увеличением длительности горения, как правило, приводит к существенному росту образования БП.

Установлено влияние следующих основных факторов на уровень содержания БП в уходящих газах газомазутных котлов:

•        теплонапряжения топочного объема;

•        коэффициента избытка воздуха в топке;

•        нагрузки котла;

•        способа организации и степени подачи газов рециркуляции в топку котла;

•        способа организации и степени подачи вторичного дутья при ступенчатом сжигании топлива;

•        подачи влаги в топку для снижения образования оксидов азота;

•        очистки конвективных поверхностей котла.

На рисунке (1) приведена диаграмма, иллюстрирующая степень и направленность влияния основных режимов сжигания топлива на образование БП.

При обобщении экспериментальных данных получен ряд эмпирических зависимостей, позволяющих производить количественную оценку взаимного влияния указанных факторов на уровень выбросов БП в атмосферу для газомазутных котлов. На рисунках (2) - (4) представлены количественные зависимости, характеризующие относительное изменение содержания БП в продуктах сгорания котлов в зависимости от изменения условий сжигания топлива.

- коэффициент избытка воздуха в топке α, к = 2,1 при снижении α с 1,04 до 1,01, к = -0,35 при увеличении α с 1,04 до 1,1; 2 - рециркуляция дымовых газов в топку: к = 1,3 при вводе в под топки, к = 2,2 при вводе в воздух или отдельный канал горелки, к = 1,6 при вводе в шлицы (сопла) напротив горелок, к =41,8 при вводе в шлицы под горелками; 3 - нагрузка котла, к= 2,6 (при снижении со 100 до 50 %); 4 - ступенчатое сжигание, к = -0,8 при отключении половины горелок верхнего яруса (по топливу), к = 2,0 при ступенчатом сжигании по «вертикали», к = -0,6 то же по «горизонтали»; 5 - подача влаги в зону горения, к - -0,2 при вводе в пристенную зону и при зональном впрыске, к - -0,8 при вводе в дутьевой воздух