Министерство  образования и науки Российской Федерации

Ижевский  Государственный Технический Университет

Теплотехнический  Факультет

Институт  Городского хозяйства ИжГТУ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  РЕФЕРАТ

На тему: “Экологические проблемы использования  теплоты ” 
 
 
 
 
 
 
 
 

                             Разработал:               студент группы

                                                                             

                             Проверил:                 преподаватель

                             . 
 

                                      
 
 
 

                                                      Ижевск 2005

1. Токсичность продуктов сгорания

 

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

    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 (NO_x), оксид углерода (СО), различные углеводороды (СН), сажа и соединения, содержащие свинец и серу.

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

  N₂+ O « NO+N-316 кДж/кмоль.

  N₂+ O₂ « NO+O +316 кДж/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 оксида азота 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.

    Находящийся в атмосфере NO₂ представляет собой газ красно-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 вовремя сгорания при недостатке кислорода или  при диссоциации СО₂.

    Основное  влияние на образование оксид  углерода оказывает состав смеси: чем  она богаче, тем выше концентрация оксид углерода.

    Оксид углерода – бесцветный и не имеющий  запах газ. При вдыхании вместе с  воздухом он интенсивно соединяется  с гемоглобином крови, что уменьшает ее способность к снабжению организма кислородом. Симптомы отравления организма газом оксид углерода: 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 зазорах 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 углеводород окажется в составе отработавших газах.

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

    Так, углеводороды под действием солнечных  лучей могут взаимодействовать с оксидами азота, 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 600-700 К. Такие условия возникают вблизи холодных поверхностей цилиндра при наличии там несгоревших углеводородов. Количество полициклических ароматических углеводородов в отработавших газах тем больше, чем выше концентрация в топливе бензола. Полициклические ароматические углеводороды 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 1500 К в результате объемного процесса термического разложения (пиролиза) при  сильном недостатке кислорода. Формально  реакция пиролиза выражается уравнением:

                       C_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 следующем образом: парафины, олефины, ароматики.

    Наличие сажи в отработавших газах дизелей  обуславливает черным 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. 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 отработавших газах, получили общее название частицы.

    Содержание  в отработавших газах продуктов  неполного сгорания ( оксид углерод, углеводороды и сажи ) нежелательно не только из-за их токсичности, но и потому, что при неполном сгорании топлива недовыделяется часть теплоты, а это обуславливает ухудшение экономических показателей тепловых установок.

    Свинец  и сера. Примерно 50-70 % свинца, находящегося в бензине, попадает вместе с отработавшими газами в атмосферу в форме свинцовых солей, то есть в виде частиц диаметром меньше 1мкм. 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 диоксида SO₂,который очень вреден для растений и способствует возникновению кислотных дождей.

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

    Некоторые токсичные вещества после того, как  они попадают в атмосферу в  составе продуктов сгорания, претерпевают дальнейшие преобразования. Например при наличии в атмосфере углеводородов (или их 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 СН возникает туман коричневого цвета, который получил название смог. Смог является смесью жидких газообразных компонентов, он раздражает глаза и слизистые оболочки, ухудшает видимость на дорогах.

    Основным  источником 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 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  больше значение 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 углеродсодержащихся компонентов. 

    2. Парниковый эффект и его последствие. 

    Одним из основных продуктов сгорания углеводородных топлив является диоксид углерода (СО₂ ), который не относится к токсичным газам. Годовая эмиссия диоксид углерода составляет 600-1000 млрд./год.

    Основное  количество диоксида углерода производится природными источниками, и только примерно 3- 3,5 % связаны с технической деятельностью  человека (антропогенные выбросы). Однако эти 3-3,5 % могут нарушить равновесие в атмосфере и сжить причиной возникновения так называемого парникового эффекта.

    В верхних слоях атмосферы всегда располагалась смесь газов, состоящая  на 60-90 % из водяного пара. Эта смесь газов препятствует отводу теплоты от поверхности нашей планеты, повышая ее среднюю температуру на 33°С (от –18°С до +15°С ). В увеличении средней температуры на поверхности земли и заключается парниковый эффект, который обусловил благоприятные условия для возникновения и развития жизни на Земле. Однако в результате деятельности человека в стратосфере и тропосфере стали накапливаться такие вещества как СО₂, СН₄, галогенированные углеводороды, озон и гемиоксид азота (N₂O).

    Суммарная доля этих газов в парниковом слое относительно невелика всего 0,5-15 %, однако они вызвали за последние 100 лет повышение средней температуры примерно на 0,45°С, что выразилось в известном потеплении климата. При дальнейшем неконтролируемом усилении парникового эффекта может произойти интенсивное таяние ледников, которое может привести к глобальной катастрофе.

    Из  всех антропогенных парниковых газов  главное значение для усиления парникового  эффекта имеет диоксид углерода. Важнейшими источниками антропогенных  выбросов диоксида углерода являются: тепловые и электрические станции – 27 %, промышленность – 20%, отопление жилых помещений и малая энергетика – 20 %, транспорт – 17 %.