Тенденции загрязнения атмосферы оксидами азота Авторская платформа

Чем опасен диоксид азота

Почему необходима очистка выбросов от оксидов азота

По разным оценкам, в атмосферу Земли ежегодно выбрасывается от 35 до 58 миллионов тонн оксидов азота. Основной источник выбросов — сжигание топлива в промышленности, теплоэлектростанциях, генераторных установках, домохозяйствах и двигателях внутреннего сгорания различного назначения. Последние вносят значительный вклад в загрязнение окружающей среды оксидами азота, поскольку в промышленно развитых странах их доля составляет 45—60 % от общего объема. Ограничить выбросы можно, используя методы очистки газов от оксидов азота непосредственно у источника их образования.

Оксиды азота повреждают легкие и увеличивают восприимчивость к инфекции верхних дыхательных путей. Вещество способствует возникновению раздражения глаз и расширению кровеносных сосудов, что приводит к снижению кровяного давления.

Для растений это высокотоксичный газ, более высокие концентрации которого приводят к повреждению хлоропластов. Реакции с углеводородами в атмосфере вызывают образование ацетилпероксида, который ингибирует фотосинтез. Реагируя с водой, диоксид азота образует азотную и азотистую кислоты и, таким образом, способствует (наряду с SO2) образованию так называемых кислотных дождей.

Азбука горения

>> Вернуться к содержанию Монооксид азота (NO) — это бесцветный, без запаха, плохо растворимый в воде газ. Он составляет более 90% от всех оксидов азота, образуемых при высокотемпературном горении. Если концентрация находится в пределах от 10 до 50 ppm. он не является сильно токсичным раздражающим веществом.

Диоксид азота (NO2 ) — это газ, который заметен даже при небольшой концентрации: он имеет коричневато-красноватый цвет и особый острый запах. При концентрации более 10 ppm. является сильным коррозийным веществом и сильно раздражает носовую полость и глаза. При концентрации более 150 ppm. вызывает бронхит, а свыше 500 ppm. — отек легких, даже если воздействие длилось всего несколько минут.

Монооксид азота NO, который присутствует в городском воздухе, может самопроизвольно переходить в диоксид азота NO2 при фотохимическом окислении.

Существуют три пути образования оксидов азота, различающиеся по способу происхождения, но не по химическому составу:

  • тепловые оксиды азота (тепловые NOx);
  • быстрые оксиды азота (быстрые NOx);
  • топливные оксиды азота (топливные NOx).

Тепловые оксиды азота, составляющие большинство, образуются при высокой температуре (Т>1500 К) и при условии высокой концентрации кислорода при окислении атмосферного азота в процессе горения. Тепловые оксиды образуются при сжигании газообразного топлива (природный газ и сжиженный нефтяной газ) и топлива, в котором не содержатся вещества, имеющие в своем составе азот

Быстрые оксиды азота образуются при связывании атмосферного азота углеводо­родными частицами (радикалами), которые присутствуют в зоне факела. Этот метод образования оксидов протекает с очень высокой скоростью (отсюда их название; быстрые). Образование быстрых оксидов прежде всего зависит от концентрации радикалов в корневой части факела. При окислительном пламени (горение происходит с избытком кислорода) их вклад незначителен, но при сжигании обогащенных смесей и при низкотемпературном горении их доля может достигать 25% от общего содержания оксидов азота.

Топливные оксиды азота образуются при окислении азотосодержащих веществ, присутствующих в топливе в зоне факела. Концентрация топливных оксидов может достигать значительных размеров, если содержание в топливе азотосодержащих веществ превышает 0,1% от веса. Как правило, это касается только жидкого и твердого топлива.

На рис. 5 показано соотношение между NOx разных типов в зависимости от типа топлива (при стандартных условиях горения):

Доля быстрых оксидов азота более или менее постоянна, в то время как доля топливных оксидов азота увеличивается при горении видов топлива с более высоким молекулярным весом. При этом доля тепловых оксидов азота снижается.

Рисунок 5. Типы NOx для разного топлива

1.4.2.1. Снижение уровня NOx при сжигании газообразного топлива

Содержание тепловых оксидов азота в газообразном топливе достигает 80% от общего количества выбросов. Снизить образование тепловых оксидов азота можно снизив температуру пламени.

Температуру пламени можно снизить различными путями:

1) снижением удельной тепловой нагрузки

Этот метод состоит в уменьшении мощности горения на единицу объёма камеры сгорания. Для этого необходимо «перерассчитать» мощность котла, то есть уменьшить его номинальную тепловую мощность (если это уже действующий котёл) или взять размер камеры сгорания с запасом (при проектировании новых объектов).

2) особой конструкции камеры сгорания

Этот метод состоит в использовании теплогенераторов, камера сгорания которых является не инверсионной, а имеет три хода по тракту дымовых газов. В котлах с инверсионными камерами сгорания дымовые газы при проходе к дымогарным трубам сужают пространство, в котором находится факел, до объёма меньшего, чем сама камера сгорания. Часть лучистой энергии, отражённой от стенок камеры сгорания, передаётся пламени, температура пламени повышается, и увеличивается образование тепловых оксидов азота. Тот же эффект наблюдается в установках с высокой температурой стенок камеры сгорания, например печах или котлах с высокой температурой теплоносителя.

3) предварительным смешиванием воздуха и газа

В обычных условиях системы сжигания настроены таким образом, чтобы работать с избыточным воздухом. Этот избыточный воздух снижает температуру горения ниже адиабатической температуры, а иногда ниже того уровня, при котором начинается образование оксидов азота (1500К)

Пламя является типичной турбулентной средой. В неё подаются два реагента, которые очень трудно равномерно смешать между собой. В результате в пламени создаются зоны с разной стехиометрией

В зонах со стехиометрическими или близкими к ним условиями, значение температуры настолько высоко, что появляются условия для образования тепловых NOx.

С учётом опасности тепловых NOx следует предотвратить появление этих условий или максимально снизить сферу их действий. Неравномерность концентрации газовоздушной смеси позволяют снизить: предварительное смешение газа с воздухом и стабилизация пламени. Это влечёт за собой снижение температуры пламени по всему объёму факела и приближение её к теоретически рассчитанному значению.

Дополнительный положительный эффект может дать равномерное распределение пламени. Лучше, если оно равномерно распределяется по широкой поверхности, не создавая маленьких язычков, внутри которых температура, как правило, более высока.

В качестве примера можно привести горелки с пористой поверхностью (из металла или керамики) или с волокнистой поверхностью, в которой имеются мельчайшие отверстия. Всё это необходимо для того, чтобы как можно аккуратнее смешать перед горением воздух и газ.

Несмотря на то, что в настоящий момент высокая стоимость и конструктивные ограничения препятствуют широкому внедрению этого метода, особенно для горелок большой мощности, он является очень многообещающим для значительного снижения выбросов NOx.

4) ступенчатое сжигание

Оксиды азота образуются быстрее, когда соотношение топлива и поддерживающего горение воздуха приближается к стехиометрическому Для того чтобы снизить скорость образования оксидов азота, можно создать систему горения использующую коэффициент избытка воздуха близкий к идеальному Внутри факела этой системы должны присутствовать зоны с, сильнотличающимся от стехиометрического, соотношением топливо-воздух. Используя аэродинамические характеристики факела и распределение топлива можно создавать чередующиеся зоны с избытком и недостатком воздуха, поддерживая в общем условия близкие к стехиометрическим.

5) рециркуляция продуктов горения

При растворении части дымовых газов в воздухе уменьшается содержание кислорода и понижается температура пламени: поэтому часть вырабатываемой в результате горения энергии немедленно передается инертным веществам, присутствующим в газообразном топливе.

Этот метод даёт очень хорошие результаты при работе с газообразным топливом: пропускаемые продукты горения и смесь поддерживающего горения воздуха и топлива легко смешиваются между собой.

В теплогенераторах малой мощности можно легко организовать рециркуляцию продуктов горения внутри камеры сгорания, благодаря особой конструкции головки горелки. Как правило, на рециркуляцию поступает довольно много продуктов горения (примерно 50%). Благодаря этому, смесь топлива и поддерживающего горение воздуха становится менее эффективной, а температура дымовых газов достаточно высокой (900 — 1000 К).

Рисунок 6. Функциональная схема процесса горения в газовой горелке — Голубое пламя


1 — Воздух для горения; 2 — Подача газообразного топлива; 3 — Струя газообразного топлива: 4 — Зона стабилизации пламени (горение при стехиометрических условиях); 5 — Рециркуляция продуктов горения; 6 — Горение вне стехиометрических условий — смесь воздуха для горения, газа и циркулирующими продуктами горения; 7 — «Холодная» зона пламени.

В теплогенераторах большой мощности, из-за большого сопротивления возникающего на головке горелки, сложно организовать подмес продуктов горения внутри камеры сгорания. Поэтому продукты горения подмешиваются в камеру сгорания из вне.

С помощью дополнительного вентилятора или с помощью вентилятора самой горелки часть продуктов горения забирается на выходе из теплогенератора и подаётся обратно в головку горелки для того, чтобы смешать с воздухом для горения.

Даже если при некоторых обстоятельствах рециркуляция газов внутри камеры сгорания может оказаться недостаточной для достижения очень низкого содержания NOx (данный случай относится к горелкам большой мощности), этот метод можно применять в сочетании со ступенчатым сжиганием, которое было описано выше.

Читайте также:  Шины Кумхо обзор, характеристики

Рисунок 7. Моноблочная горелка серии BGK (дизельное топливо — низкое содержание NOx)

1.4.2.2. Снижение уровня NOx при сжигании жидкого топлива

Основное различие между сжиганием газообразного топлива и сжиганием жидкого топлива, с точки зрения оксидов азота, состоит в том, что в последнем азот находится в виде азотосодержащих соединений. Азот является причиной образования оксидов NOx, которые дают значительный вклад в общее содержание NOx. Принципы образования тепловых и быстрых оксидов азота рассмотренные в предыдущем параграфе, приемлемы и для жидкотопливных горелок.

Что же касается топливных оксидов азота, то в восстановительной среде содержащийся в топливе азот, может переходить не во вредный NOx, а в простой и безопасный молекулярный азот N2. Для этого в некоторых областях факела нужно создать богатые топливом зоны и условия для процесса восстановления. Например, в область горения сначала подается 80% от общего количества поддерживающего горение воздуха вместе со 100% топлива, а затем подаются оставшиеся 20% воздуха для горения (добавочный воздух).

Применительно к горелкам малой и средней мощности бытового и коммерческого назначения этот метод пока проходит этап тестирования. Все эти методы всё ещё находятся в стадии эксперимента на бытовых и коммерческих горелках. А в промышленных горелках эта технология уже вносит свой ценный вклад.
>> Вернуться к содержанию

Способы уменьшения количества выбросов оксида азота

В настоящее время проблема загрязняющих газообразных выбросов решается двумя способами:

Снижение концентрации в процессе сжигания

Решение данной задачи связано с обеспечением необходимых параметров процесса сгорания в отношении «время — температура — состав газа». Для обеспечения данных условий применяется топливо высокого качества и тонкая регулировка системы подачи топлива до достижения необходимой концентрации оксидов азота в отработавших газах.

Очистка отходящих газов от оксидов азота. Когда невозможно полностью уменьшить выброс загрязняющих веществ во время сжигания топлива, отходящие газы дополнительно очищаются.

Состав кислотных дождей

Кислотные дожди — явление, которое является следствием поражения воздушной среды кислотными оксидами, вступающими в реакции с атмосферной влагой. Растворы серной и азотной кислот — главная составляющая осадков.

Соединения серы

  • SO2 – оксид серы.
  • COS — оксисульфид углерода.
  • H2S — сероводород.
  • CS2 — сероуглерод.
  • SO42 — сульфат-ионы.
  • (CH3)2S — диметилсульфид.

Советуем почитать: Основные виды загрязнения воды: бактериальное, механическое, химическое

Соединения азота

Важнейшие азотистые соединения земной атмосферы, вызывающие кислотные дожди:

  • Закись азота, N2 Не участвует в образовании кислотных осадков, нейтральный газ.
  • Двуокись азота.
  • Окись азота.
  • Оксид азота.
  • Азотистый ангидрид,

Каталитическая очистка газов от оксидов азота

  • Каталитическая очистка дымовых газов от оксидов азота.

Эффективность этой группы методов высока, поскольку некоторые из них позволяют снизить выброс в атмосферу на 90 % и более. Среди них наибольшее внимание уделяется селективному каталитическому восстановлению (СКВ, SCR). Этот способ был введен в начале семидесятых в Японии и до сих пор успешно используется в США и Германии. Он заключается в восстановлении оксидов азота аммиаком при 150—450 °C в присутствии катализатора. Процесс называется селективным, поскольку аммиак обладает более высокой реакционной способностью по отношению к оксидам азота, чем к кислороду.

В объеме отработанных газов доля монооксида азота составляет 90—95 % от суммарной концентрации оксидов азота, поэтому основная реакция

4NO + 4NH3 + O2 = 4N2 + 6H2O.

Диоксид азота, на долю которого приходится 5—10 %, реагирует по уравнению

2NO2 + 4NH3 + O2 = 3N2 + 6 H2O.

Небольшие количества кислорода, содержащиеся в отходящих газах, ускоряют селективное каталитическое восстановление оксидов азота, но более высокое содержание O2 оказывает неблагоприятное воздействие, снижая скорость процесса SCR.

Катализаторы SCR представляют собой оксиды переходных металлов, например ванадия, титана, молибдена. Ванадий-титановый катализатор отличает высокая активность при низких температурах. Срок службы составляет около 3 лет на угольных электростанциях и 5—7 лет на установках, работающих на нефтяном и газовом топливе.

Рисунок 1. Принципиальная схема системы SCR

1. Панель управления, 2. Двигатель внутреннего сгорания когенерационной установки, 3. Датчик оборотов двигателя, 4. Датчики NOx, 5. Датчик температуры (термопара), 6. Инжектор реагента, 7. Датчик давления, 8. Смеситель, 9. Насос для реагента, 10. Емкость с реагентом, 11. Катализатор гидролиза, 12. Катализатор SCR, 13. Катализатор для удаления аммиака.

Также в ряде случаев применяют неселективную каталитическую очистку газов от оксидов аммиака. В качестве реагентов восстановителей используют такие химические вещества: водород, метан и другие углеводороды.

Решения от «ЭКОЭНЕРГОТЕХ»

— лидер в поставках установок для очистки от оксидов азота в России. Предприятие разрабатывает и производит высокоэффективные системы для очистки дымовых газов от оксидов азота с учетом потребностей клиентов. К основным преимуществам создаваемой продукции относят:

  • высокую эффективность и производительность;
  • длительный срок службы установок;
  • надежность, доказанную за многие годы эксплуатации;
  • инновационные решения;
  • конкурентоспособные цены от отечественного производителя.

Менеджеры компании проконсультируют по вопросам подбора оборудования. В установленные договором сроки организация осуществит поставки комплексных систем для очистки отработавших газов от различных источников, включая проектирование, ввод в эксплуатацию и техническое обслуживание.

Диоксид азота: влияние на человека

Вещество характеризуется высокой токсичностью. Диоксид азота в воздухе, даже находясь в относительно небольших концентрациях, способен приводить к существенным изменениям в организме человека. Является острым раздражителем, а также характеризуется общетоксическим действием. Воздействует в основном на органы дыхательной системы. В зависимости от концентраций наблюдаются различные последствия — от слабого раздражения слизистых оболочек глаз и носа до отека легких. Также может приводить к изменениям состава крови, в частности, способствует уменьшению содержания гемоглобина. Ниже рассмотрим подробнее некоторые из эффектов, которые способен вызывать у человека диоксид азота.

Оксид азота: общие сведения, влияние на человека и окружающую среду

Оксид азота – химическое соединение группы окисей азота, в котором азот присутствует во II степени окисления. Он имеет один непарный радикальный электрон, следовательно, является нестабильным, имеет высокую реакционную способность и обладает свойствами свободного радикала.

Оксид азота или окись азота, а также известный как монооксид азота представляет собой молекулу с химической формулой NO. Это свободные радикалы, которые является важным промежуточным продуктом химических реакций.

В организмах млекопитающих и человека оксид азота является важной составляющей клеточных сигнальных молекул, участвующих во многих физиологических и патологических процессах. Это мощный вазодилататор с коротким, в несколько секунд, периодом полураспада в крови.

В конце 80-х годов было доказано, что особые ферментные системы организмов способны синтезировать газ оксида азота. Это происходит в результате окисления гуанидиновой группы аминокислоты L-аргинина с одновременным синтезом цитруллина.

Получение оксида азота

В лабораторных условиях получение оксида азота возможно путем проведения реакции разбавленной азотной кислоты с медью или восстановлением азотистой кислоты в виде нитрита натрия или нитрита калия.

Основным природным источником оксида азота являются электрические разряды молний в грозу. Оксид азота является побочным продуктом, возникающим при сгорании веществ в автомобильных двигателях и топлива на электростанциях.

Также получение оксида азота возможно из свободных элементов, для этого необходимо при температуре 1200-1300°C провести соединение азота с кислородом.

Применение оксида азота

Оксид азота используется в медицине для расширения кровеносных сосудов при ишемической болезни сердца путем уменьшения нагрузки на сердце.

Оксид азота используется при неотложной помощи для содействия капиллярному расширению легких для лечения первичной легочной гипертензии у новорожденных, связанной с врожденными дефектами. Терапия оксидом азота значительно повышает качество жизни и, в некоторых случаях, спасает жизнь детей с риском развития заболевания сосудов легких.

Оксид азота также вводится в виде спасительной терапии у больных с острой правожелудочковой недостаточностью, которая является вторичной по отношению к легочной эмболии.

В пищевой промышленности оксид азота известен под названием пищевая добавка Е942 и используется в качестве пропеллента и упаковочного газа.

Свойства оксида азота

Оксид азота – это бесцветный газ с температурой плавления -163,6°С и температурой кипения -151,7°С. Молекулярная формула оксида азота – NO, молярная масса – 30.01 грамм/моль, плотность – 1,3402 г дм, растворимость в воде – 74 см3/дм3, показатель преломления – 1.0002697.

Польза оксида азота

Оксид азота широко применяется в традиционной медицине при различных заболеваниях и оказывает положительное влияние на:

  • Систему кровообращения – регуляторные свойства оксида азота оказывают влияние на циркуляцию крови по всему телу, увеличивают диаметр кровеносных сосудов и предотвращают образование тромбов. Он помогает эндотелиальным клеткам контролировать кровеносные сосуды. Оксид азота также повышает уровень кислорода внутри тела, понижает уровень артериального давления и помогает в оптимальном режиме функционировать сердцу;
  • Иммунную систему – иммунные клетки в организме человека синтезируют оксид азота, чтобы уничтожать бактерии и вирусы, способные вызывать инфекции. Известно также свойство оксида азота предотвращать появление доброкачественных и злокачественных опухолей в клетках организма;
  • Уровень выносливости — оксид азота повышает уровень выносливости мышечных клеток, что позволяет выдерживать более тяжелые нагрузки и с легкостью вести более активную деятельность;
  • Повышение реакции нервных клеток – оксид азота действует как внутриклеточный посредник между различными клетками в организме, в том числе, нервными клетками. При достаточном содержании оксида азота в организме связь между нервными клетками становится быстрее, что приводит к быстроте реакции на внешние раздражители, увеличению фокуса и бдительности;
  • Повышение сексуальной энергии – применение оксида азота стимулирует, бодрит и усиливает сексуальные механизмы реагирования в организме. Сенсорные и психические стимуляции, вызываемые нервными клетками под действием оксида азота, приводят к расслаблению мышц и притоку крови к пенису, благодаря чему происходит эрекция. Таким же образом процесс протекает и в женском организме, под действием оксида азота приток крови увеличивается в тканях влагалища;
  • Облегчение боли – оксид азота обеспечивает долгосрочное облегчение от боли, связанной с артритом и воспалением суставов. Он способен активировать противовоспалительные механизмы в клетках организма, и способствует уменьшению воспаления;
  • Увеличение мышечной массы – добавки содержащие оксид азота расширяют кровеносные каналы, улучшают кровообращение и увеличивают мышечную массу. При увеличении потока крови увеличивается количество питательных веществ в мышцах, что приводит к увеличению их размера;
  • Внутриклеточные связи – оксид азота улучшает процесс связи между различными клетками в организме, в том числе, между нервными клетками и клетками мозга. Применение добавок содержащих оксид азота приводит к улучшению памяти, повышению уровня концентрации и способности к обучению.
Читайте также:  Как обжать наконечник без инструмента - 3 простых способа

В дополнение ко всему оксид азота является богатым источником необходимых питательных веществ, таких как b-ситостерин, урсоловая кислота, гликозиды, растительные стерины, а также цинк, кальций, калий, железо и витамины А и С для организма.

Вред оксида азота

Применение оксида азота у большинства людей не вызывает побочных эффектов, однако, в случаях передозировки он приводит к диарее, слабости, тошноте, головной боли, учащению пульса и сердцебиения, задержкам воды, усталости, раздражениям на коже и сухости во рту.

Также побочными эффектами применения оксида азота являются проблемы с дыханием, сильная аллергия или сыпь, крапивница, зуд, одышка, опасные для жизни осложнения астмы, внезапный озноб, потливость, тремор, рвота и обмороки. В некоторых случаях применение оксида азота приводит к вспышкам герпеса, расширению сосудов и кровотечениям.

Влияние оксида азота на организм человека

Для человеческого организма оксиды азота еще более вредны, чем угарный газ. Общий характер воздействия меняется в зависимости от содержания различных оксидов азота: NO2, N2O3, N2O4. Наибольшую опасность представляет NO2. Воздействие оксидов азота на человека приводит к нарушения функций легких и бронхов.

Воздействию оксидов азота в большей степени дети и взрослые, страдающие сердечно — сосудистыми заболеваниями. В воздухе оксиды азота в зависимости от концентрации вызывают: раздражения слизистых оболочек носа и глаз С = 0,001 об. % , начало кислородного голодания С = 0,001 об. % , отек легких С = 0,008 об. %.

При контакте диоксида азота с влажной поверхностью (слизистые оболочки глаз, носа, бронхов) образуются азотная и азотистая кислоты, раздражающие слизистые оболочки и поражающие альвеолярную ткань легких. При высоких концентрациях оксидов азота (0,004 — 0,008 %) возникают астматические проявления и отек легких. Вдыхая воздух, содержащий оксиды азота в высоких концентрациях, человек не имеет неприятных ощущений и не предполагает отрицательных последствий.

При длительном воздействии оксидов азота в концентрациях, превышающих норму, люди заболевают хроническим бронхитом, воспалением слизистой желудочно-кишечного тракта, страдают сердечной слабостью, а также нервными расстройствами. NO2 тяжелее воздуха, поэтому собирается в углублениях, канавах и представляет большую опасность при техническом обслуживании транспортных средств.

Оксиды азота ответственны за возникновение смога и кислотных дождей. Смог вызывает затруднение дыхания, кашель у детей и способствует развитию болезней органов дыхания. Особенно страдают от смога астматики и дети.

Ощущение запаха и незначительного раздражения во рту отмечается при концентрации NO2 порядка 0,0002 мг/л. Вредное воздействие оказывают оксиды азота и на нервную систему человека. Содержание в атмосферном воздухе оксидов азота свыше 0,28 мг/м3 приводит к повреждению некоторых видов растений вызывает затруднение дыхания, кашель у детей и способствует развитию болезней органов дыхания.

Вторичная реакция на воздействие оксидов азота проявляется в образовании в человеческом организме нитритов и всасывании их в кровь. Это вызывает превращение гемоглобина в метагемоглобин, что приводит к нарушению сердечной деятельности.

Оксиды азота оказывают отрицательное воздействие и на растительность, образуя на листовых пластинах растворы азотной и азотистой кислот. Этим же свойством обусловлено влияние оксидов азота на строительные материалы и металлические конструкции. Кроме того, они участвуют в фотохимической реакции образования смога. В уходящих газах дизелей концентрации СО и NOx могут достигать 0,5 % (по объему).

Влияние оксида азота на окружающую среду

Оксид азота является естественным компонентом атмосферы. Однако интенсивное использование искусственных азотных удобрений и сжигание ископаемого топлива в двигателях внутреннего сгорания составляет большую часть антропогенных выбросов оксида азота. На него приходится около 6% глобального потепления. Если общее ежегодное выделение оксидов азота в мире оценивалось в 1967 г. в 53 млн. т, то уже в 1995 г. оно составило 130 млн. т.

Парниковая активность закиси азота в 298 раз выше, чем у углекислого газа. Все оксиды азота физиологически активны, относятся к третьему классу опасности. Оксид азота N2O обладает наркозным эффектом. Оксид азота NO — сильный яд, оказывающий влияние на центральную нервную систему, а также вызывающий поражение крови за счёт связывания гемоглобина. Относительно высокой токсичностью (при концентрации выше 0,05 мг/л) обладает и оксид азота NO2. Он раздражает дыхательные пути и угнетает аэробное окисление в легочной ткани, что приводит к развитию токсического отёка легких. Для болеющих астмой и аналогичных больных повышается риск отрицательных легочных эффектов при содержании диоксида азота значительно меньшем, чем тот, на который не наблюдается реакция у здоровых людей. Оксиды азота могут отрицательно влиять на здоровье сами по себе и в комбинации с другими загрязняющими веществами.

Оксиды азота занимают второе место после диоксида серы по вкладу в увеличение кислотности осадков. В дополнение к косвенному воздействию (кислотный дождь), длительное воздействие диоксида азота в концентрации 470-1880 мкг/м 3 может подавлять рост некоторых растений (например, томатов). Значимость атмосферных эффектов оксидов азота связана с ухудшением видимости. Диоксид азота играет важную роль в образовании фотохимического смога.

Читайте также:

Влияние азота на растения

Технический углерод: структура и воздействие

Влияние человека на круговорот углерода

Польза и вред углекислого газа: особенности воздействия диоксида углерода на организм человека

Экология природных ресурсов

Диоксид серы и сероводород

Диоксид серы оказывает влияние, прежде всего, на слизистую оболочку верхних дыхательных путей. Остатки газа могут проникнуть дальше внутрь легких. Значительное и хроническое загрязнение сернистым ангидридом может вызвать бронхиальную закупорку, повысить сопротивление потоку воздуха в дыхательных путях, нарушить функцию ресничного эпителия и увеличить секрецию слизи.

При фоновом загрязнении диоксидом серы и взвешенными частицами критической следует считать концентрацию в 0,1 мг/м 3 . При повышении этого порога следует ожидать более частого проявления симптомов легочных заболеваний, и даже появления патологий, особенно у младенцев и детей.

Несмотря на то, что вклад нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов в общий выброс сернистых соединений относительно невелик (5% общего количества выбросов топливно-энергетических станций), ряд факторов вызывает необходимость осуществления мероприятий по снижению эмиссии уже на предприятиях средней мощности. К этим факторам относятся, в частности, неблагоприятный рельеф местности, метеорологические условия и др.

По количеству и составу выбрасываемых серосодержащих газов источники загрязнений можно подразделить на три основные группы:

  • дымовые газы котельных агрегатов, технологических печей, печей для сжигания нефтешламов, факельных систем;
  • отходящие газы регенерации катализаторов на установках крекинга;
  • хвостовые газы установок производства серной кислоты и элементной серы (установки Клауса).

К основным источникам выбросов диоксида серы относятся (%): дымовые трубы печей (56,9), факельные стояки (19,9), регенераторы установок каталитического крекинга (18,2).

Следует отметить, что в процессе сжигания топлива наряду с диоксидом образуется триоксид серы (1-5%) путем гомогенного окисления диоксида серы молекулярным или атомарным кислородом, а также путем гетерогенного каталитического окисления сернистого ангидрида.

На нефтеперерабатывающих предприятиях основными источниками сероводорода являются:

  • неочищенный газ с установки утилизации факельных газов;
  • насыщенные растворы моноэтаноламина (МЭА);
  • сероводородсодержащий газ с технологических установок очистки и фракционирования газов.
Читайте также:  Ножной и электрический автомобильный насос как выбрать

Сероводород поступает в атмосферу также за счет его выделения (испарения) из сернисто-щелочных сточных вод и технологических конденсатов (СЩС и ТК), через неплотности технологического оборудования (насосы, компрессоры, арматура), с установок первичной переработки нефти и гидроочистки, термокрекинга, моноэтаноловой очистки и резервуаров совместно с парами нефтепродуктов. Значительными источниками выбросов сероводорода являются бароконденсаторы смешения, а также установки по производству серы.

Оксиды азота

Массовым видом выбросов предприятий по переработке УВС являются оксиды азота. Диоксид азота и его фотохимические производные оказывают воздействие не только на органы дыхания, но и на органы зрения. При малых дозах характерны аллергии и раздражения, при больших — бронхиты и трахеиты. Начиная с 0,15 мг/м 3 , при длительных воздействиях наблюдается увеличение частоты нарушений дыхательных функций и заболеваний бронхитом.

Диоксид азота является токсичным, а на солнечном свету конвертирует в оксид с выделением озона, участвующего в образовании фотохимического смога. Одновременные выбросы оксидов азота и серы обусловливают выпадение кислотных дождей. Ежегодно в промышленно развитых странах в воздушный бассейн выбрасывается до 50 млн. т. оксидов азота, что превышает их естественный фон в воздухе населенных пунктов.

Основными источниками выбросов оксидов азота являются: технологические печи (72,6%), газомоторные компрессоры (14%), факельные стояки (5,4%).

Образование NOх связано с окислением азота воздуха и азотсодержащих компонентов самого топлива (M). В настоящее время существуют три основных механизма образования NO.

Образование «воздушного» NO происходит за фронтом пламени в зоне высоких температур по цепному механизму, кинетика которого описывается уравнениями:

В общем виде реакция образования NO представлена уравнением:

О2+ N2+2NO— 180 кДж/моль. (5)

Определяющей в образовании NО считается реакция (2), скорость которой зависит от концентрации атомарного кислорода, в свою очередь зависящей от максимальной температуры в зоне горения.

Образование NО из топлива происходит в два этапа:

  • газификация капель мазута с выделением азотсодержащих органических соединений в виде паров и газов;
  • реакции окисления паров и газов с образованием NО.

Изучено влияние азотсодержащих добавок к метану, на основании чего предложен механизм образования NО по схеме:

Эти реакции обладают рядом особенностей, из которых наиболее существенны следующие:

  • скорость образования NO из азота топлива больше, чем из воздуха;
  • образование топливного оксида азота происходит в основном в начальной зоне факела;
  • конверсия азота топлива в NO увеличивается с повышением коэффициента избытка воздуха, а кислород является определяющим фактором в образовании топливного оксида азота.

Термин «быстрый» NO появился в последнее время из-за мгновенного образования в пламени большого количества оксида азота. В общем смысле «быстрым» NO называется оксид азота, образующийся в пламени по механизму, отличному от схем образования «воздушного» и «топливного» NO через промежуточные продукты сгорания группы CN по реакциям:

Данные реакции протекают с большой скоростью даже при температурах, когда образование «воздушного» NO практически не происходит. Реакции (8) и (9) характеризуются относительно слабой зависимостью от температуры.

Таким образом, изучение и анализ условий образования «воздушных», «топливных» и «быстрых» оксидов азота и механизмов их образования позволяет наметить методы их подавления непосредственно в топках трубчатых печей.

Оксид углерода (II)

(CO) является наиболее опасным и распространенным из газообразных загрязнителей атмосферного воздуха. CO опасен тем, что соединяется с гемоглобином крови, в результате чего образуется карбоксигемоглобин. Повышение уровня карбоксигемоглобина в крови может вызвать нарушение функций центральной нервной системы: ослабевают зрение, реакция, ориентация во времени и пространстве. Особенно опасен этот вид загрязнения для больных с сердечно-сосудистыми заболеваниями.

CO характерен для городов и образуется главным образом за счет выхлопных газов автотранспорта (75-97% от всех выбросов оксида углерода (II)). Он образуется также на промышленных предприятиях и относится к продуктам незавершенного горения топлива (наряду с техническим углеродом, углеводородами, включая канцерогенные) при недостатке окислителя (кислорода), неудовлетворительном смешении топлива с воздухом, несовершенстве конструкции горелочных устройств и пр.

Условия и механизм появления CO могут происходить, предположительно, по следующей схеме. Горение углеводородного газа, основу которого составляет метан, проходит стадии последовательных превращений: метан-формальдегид-оксид углерода (II)-оксид углерода (IV). При неблагоприятных условиях (недостаток кислорода, охлаждение зоны горения, качество предварительной подготовки газовоздушной смеси) цепная реакция может оборваться, и в продуктах горения будут содержаться CO и альдегиды.

Основными источниками загрязнения атмосферного воздуха CO являются трубчатые печи технологических установок, выбросы которых составляют 50% от объема общих выбросов; реакторы установок каталитического крекинга (12%); выхлопы газовых компрессоров (11%); битумные установки (9%) и факелы (18%).

Углеводороды

Как было показано выше, выбросы углеводородов составляют более 70% выбросов вредных веществ от предприятий нефтепереработки и нефтехимии в атмосферу.

Токсичность углеводородов усиливается при наличии в атмосфере сернистых соединений, оксида углерода, что является причиной более низкого значения ПДК сероводорода в присутствии углеводородов, чем в их отсутствие. В зависимости от строения углеводороды вступают в те или иные фотохимические реакции, тем самым участвуя в образовании фотохимического смога.

С технологической точки зрения выбросы углеводородов представляют собой прямые потери нефти и нефтепродуктов. Среднеотраслевой уровень выбросов углеводородов составляет 5,36 кг на 1 т переработанной нефти.

Основными источниками выбросов углеводородов в атмосферу являются:

  • резервуарные парки (углеводороды выбрасываются в атмосферу из дыхательных клапанов резервуаров за счет испарений с открытых поверхностей);
  • технологические установки (выбросы за счет неплотностей технологического оборудования, трубопроводной аппаратуры, сальников насосов, а также из рабочих клапанов при аварийных ситуациях, вентиляционные выбросы из рабочих помещений);
  • системы оборотного водоснабжения (испарения углеводородов в нефтеотделителях и градирнях);
  • очистные сооружения (испарения с открытых поверхностей нефтеловушек, прудов-отстойников, флотаторов, шламо- и илонакопителей).

Причиной значительных выбросов легких углеводородов от технологических установок является отсутствие должной сопряженности мощностей стадий атмосферной перегонки нефти и стадий глубокой стабилизации бензинов и газоразделения легких и жирных углеводородных газов.

Так, при отсутствии схемы и условий осуществления глубокой стабилизации прямогонных бензинов происходит значительное испарение в окружающую среду газов пропан-бутановой фракции с одновременным уносом ими бензиновых фракций. При вакуумной перегонке важен выбор схемы и устройства вакуумсоздающих систем, от которых в значительной степени зависит не только степень связи процесса с окружающей средой, но и объемы выброса вредных веществ в окружающую среду.

Существующие объекты очистных сооружений и систем оборотного водоснабжения также являются мощным источником загрязнения атмосферы углеводородами. Это — открытые ловушки, различные пруды, биологические очистные сооружения, градирни и колодцы заводской канализации, в которых испаряются углеводороды и другие соединения с поверхности сточных вод.

Значительное загрязнение атмосферы углеводородами на заводах происходит при заполнении товарными нефтепродуктами железнодорожных цистерн и танкеров на наливных эстакадах и причалах.

Твердые вещества

Выбросы твердых веществ связаны, прежде всего, с химическими методами переработки углеводородного сырья, особенно каталитическими. Эти вещества состоят в основном из частиц диаметром от 0,01 до 100 мкм.

Химический состав образующейся пыли очень сложен и может вызвать увеличение риска заболевания раком легких, поскольку анализы обычно выявляют присутствие соединений углерода, предельных, ароматических и полициклических углеводородов, тяжелых металлов и др. Выявлена однозначная зависимость между концентрацией пыли в воздухе и хроническими заболеваниями дыхательных путей, в первую очередь, заболеваниями астмой, бронхитом и эмфиземой легких. При повышенных дозах тяжелых металлов, проникающих в организм с пылью, могут возникать нарушения в работе кроветворных органов и центральной нервной системы.

Ряд проведенных исследований показывает, что процессы каталитической переработки нефтяного сырья являются одним из основных источников выбросов катализаторной пыли в атмосферу. Низкая эффективность отделения катализаторной пыли на установках каталитического крекинга приводит к неоправданно высоким потерям дорогостоящих катализаторов и значительному загрязнению окружающей среды твердыми выбросами. Другими словами, проблема снижения выбросов твердых веществ связана, прежде всего, с разработкой проектов установок каталитического крекинга и особенно установок повышенной мощности, работающих на утяжеленных и остаточных видах нефтяного сырья.

Суперэкотоксиканты

В последние годы из общего числа вредных веществ выделяют те, которые в малых дозах оказывают сильное индуцирующее или ингибирующее действие на ферменты, — так называемые суперэкотоксиканты. Наиболее распространенным в окружающей среде из суперэкотоксикантов является бенз(а)пирен. Это вещество выделено в качестве индикатора для всей группы канцерогенных полиароматических углеводородов (ПАУ).

В тех объектах, где обнаруживается бенз(а)пирен, как правило, присутствуют и другие ПАУ, среди которых он является одним из сильнейших канцерогенов, образующихся в результате пиролитических реакций. Основным условием образования ПАУ является высокая температура — 800-1000°С, поэтому основными источниками выбросов ПАУ являются дымовые трубы технологических печей и установки производства битума.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector