Продукты сгорания бензина: Продукты сгорания различных видов топлива

Продукты сгорания различных видов топлива

ДЫМ, САЖА, КОНДЕНСАТ

В соответствии с малым энциклопедическим словарем Брокгауза и Эфрона, «дым» есть ничто иное, как «видимая на глаз смесь газов, паров и мелко раздробленных твердых веществ; образуется при неполном сжигании топлива.… Заключая вредные для животных и растений вещества, дым отравляет воздух, загрязняет окружающую местность, портит здания, памятники…».
При сжигании топлива происходит химическая реакция – «горение обычное», которая представляет собой  соединение вещества с кислородом воздуха, сопровождающаяся выделением тепла и света. При горении образуются угольный ангидрид (двуокись углерода, ангидрид угольной кислоты, углекислый газ, CO₂), серный ангидрид (триоксид серы, сернистый газ, SO₃) и водяной пар.
Концентрация углекислого газа в помещениях жилых и общественных зданий – один из санитарно-гигиенических показателей степени чистоты воздушной среды – именно поэтому так важно, чтобы печь или камин, находящиеся в доме, не дымили.

Дым, безусловно, вреден для живых организмов, но, помимо этого, с ним связана и другая проблема, которую приходится решать при организации дымоотведения.
Помимо газа и пара, находящихся во взвешенном, летучем состоянии и при наличии тяги стремящихся вверх, в дымоходе, как правило, присутствует и некоторое количество влаги, которая образуется в процессе конденсации водяных паров, входящих в состав дымовых газов на недостаточно прогретых внутренних стенках дымоходов.
При охлаждении отходящих газов происходят химические реакции, и в дымоходе образуется агрессивный конденсат, который представляет собой раствор угольной и серной кислот.
Угольная кислота образуется в результате взаимодействия растворимого в воде углекислого газа и водяного пара:

CO

2 + H₂O <=> H₂CO₃.

Известно, что растворимость вещества в определенном интервале зависит от температуры – чем ниже температура раствора, тем меньшее количество вещества в нем может находиться в растворенном виде, и наоборот. Однако слабая угольная кислота очень неустойчива и при нагревании раствора уже выше 20^оС начинает распадаться с выделением углекислого газа и воды. Следовательно, влияние угольной кислоты на стенки дымохода может проявляться только в холодное время года при длительном периоде «простоя» теплогенератора. Поскольку такая ситуация нетипична, то и вероятность проявления данного негативного фактора невелика.
Гораздо сильнее угольной кислоты на стенки дымохода воздействуют растворы серной кислоты, которые наряду с угольной кислотой присутствуют в конденсате.
Серная кислота образуется при взаимодействии серного ангидрида (SO

3), содержащегося в отходящих газах теплогенераторов, особенно работающих на дизельном топливе, и паров воды:

SO₃ + H₂O <=> H₂SO₄.

Разбавленная серная кислота реагирует с большинством металлов, в том числе с железом, входящим в состав стали. Концентрированная серная кислота – сильный окислитель, при нагревании окисляет все металлы, кроме золота (Au) и платиновых металлов (Pt), за исключением палладия (Pd). В отличие от угольной кислоты (H₂CO₃), серная кислота (H₂SO₄) является более устойчивой и при нагревании не распадается.
Для того чтобы в дымоходе не образовывался конденсат, необходимо условие поддержания стабильно высокой температуры более 100

оС. Поэтому температурный режим в дымоходе очень важен. Стабильность температурного режима является так же непременным условием наличия  тяги, ведь она формируется за счет разницы температур отходящих газов в дымовом канале и атмосферного воздуха снаружи. Наличие тяги способствует выносу из дымового канала твердых и аэрозольных дымовых частиц. Если тяга плохая – происходит осаждение сажи и конденсата на стенках дымохода и задымление помещения.
Если мы имеем дело с твердым топливом (печь, камин, твердотопливный котел), то данная проблема не возникает, так как температура отходящих газов высока. А вот если теплогенератор работает на газе, особенно пропане, да еще и дискретно, при наличии современной котловой автоматики, то температура в дымоходе не стабильна и накопление в нем сажи и конденсата неизбежно.
Тут налицо противоречие – с одной стороны, для нормального функционирования дымохода необходимо поддержание стабильно высокой температуры, а, с другой стороны, именно при высоких температурах имеет место наиболее жесткое воздействие на материал дымохода  растворенных в конденсате кислот.
Тем не менее, это не значит, что данная проблема не решаема. Можно добиться сокращения времени присутствия агрессивной среды в дымоходе путем быстрого преодоления порога конденсатообразования. Для этого, а так же для того чтобы температура в дымоходе была более стабильна, необходимо, чтобы нагрев его стенок происходил быстро, а остывание – медленно.
При сжигании различных видов топлива, газообразного, жидкого (дизельного) или твердого, химический состав и температура отходящих газов различны. Поэтому дымоход должен быть изготовлен из материала, кислотоустойчивость которой соответствует PH среды, формируемой при работе определенного теплогенератора или энергетической установки.

4.4. Продукты сгорания топлива.

Состав продуктов сгорания при сжигании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м³газового топлива можно записать в следующем виде

4.28

Здесь V_В— объем воздуха, использованного для сжигания 1 кг (м³) топлива; V_CO2, V_SO2и др. — объемы отдельных газов в продуктах сгорания, м³/кг (или м³/м³).

Под цифрой 1 в (4.28) объединены объемы продуктов полного окисления горючих элементов топлива. Объемы продуктов полного сгорания состоят из объема трехатомных сухих газов V_RO2

4. 29

и объема водяных паров V_h3Oв результате окисления водорода топлива. В составе V_RO2всегда V_CO2>>V_SO2, поскольку содержание серы в топливах мало. Под цифрой 2 в (4.28) объединены объемы азота и кислорода, представляющие собой остаток сухого воздуха после горения топлива, и водяные пары. Здесь V_N2>>V_O2как кислород в значительной мере израсходован на окисление. Объем водяных паров V_ВПвключает в себя испарившуюся влагу топлива и влажность самого воздуха. Для сильновлажных бурых углей значение V_ВПсоизмеримо или превышает V_CO2. Под цифрой 3 объединены объемы продуктов неполного окисления горючих элементов топлива, при этом V_CO>V_h3>V_Ch5. Соотношение между объемами V

COи V_h3в среднем составляет 3:1. Наличие в продуктах неполного сгорания объема CH₄говорит о грубых отклонениях режима горения от нормы.

Рассмотрим полное сгорание топлива в стехиометрических соотношениях и при условии, когда в продуктах сгорания V_CO= 0; V_h3= 0; V_Ch5= 0 и нет остаточного кислорода V_O2= 0.

Объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 кг (м³) топлива при условии безостаточного использования кислорода, называется теоретически необходимым объемом воздуха V⁰_В,а объем газов после сгорания — теоретическим объемом продуктов сгорания V⁰_Г

4.30

Теоретический объем сухих газов

4.31

и полный объем газов

4.32

Объем V⁰_H2Oвключает полный объем водяных паров в продуктах сгоранияОбъем V⁰_N2состоит в основном из азота воздуха с небольшим дополнением объема азота из топлива. Для обозначения объемов, соответствующих теоретическим условиям горения, вводится индекс 0.

Теоретические объемы воздуха и продуктов сгорания определяются составом сжигаемого топлива и приведены в табл. 4.1.

Объем сухих трехатомных газов V_RO2в формулах (4.30) и (4.31) одинаков и не зависит от того, подан на горение теоретический объем воздуха V⁰

_Вили большее его количество, поскольку содержание CO₂и SO₂в атмосферном воздухе мало и не учитывается в расчетах. Объем других составляющих продуктов сгорания при подводе V_В> V⁰_Вбудет изменяться. При этом увеличение объема продуктов сгорания сверх V⁰_Гопределяется только избыточным количеством воздуха ΔV_В= V_В— V⁰_Ви водяными парами, содержащимися в нем:

В действительных условиях невозможно довести топливо до полного сгорания при теоретически необходимом объеме воздуха из-за несовершенства перемешивания топлива с воздухом в большом топочном объеме за короткое время пребывания газов в нем (2…3 с). Поэтому для обеспечения полноты сгорания топлива, удовлетворяющего экономическим показателям работы парового котла, действительный объем воздуха в зоне горения всегда поддерживают несколько больше теоретического. Отношение этих объемов называют коэффициентом избытка воздуха в продуктах сгорания

Α = VВ/ VВ0

4.33

Коэффициент избытка воздуха на выходе из топочной камеры обозначается α_Т. Доля избыточного воздуха в топке зависит от сорта топлива, способа его сжигания и конструкции топочного устройства. Твердое топливо, отличающееся большим выходом летучих веществ, легче воспламеняется и быстрее сгорает и относится по условиям горения к реакционным топливам.

Эффективное перемешивание топлива с воздухом и быстрое сжигание достигаются при использовании газового топлива и мазута, поэтому они требуют наименьшего избытка воздуха в зоне горения. Разный избыток воздуха нужен при сжигании одного и того же топлива, но в разных топочных устройствах (например, в прямоточной или вихревой топочной камере), отличающихся эффективностью перемешивания.

Расчетный коэффициент избытка воздуха на выходе из топки α_Тпринимают для разных топлив в следующих пределах: для твердых α_Т= 1,15…1,25; для жидких α_Т= 1,02…1,10; для газовых α_Т= 1,05…1,10.

Уменьшение избытка воздуха дает экономию расхода энергии на тягодутьевых устройствах и повышает КПД котла. Однако его снижение ниже расчетного значения α_Тведет к росту недожога топлива и снижению экономичности котла.

При работе парового котла под наддувом избыток воздуха на выходе из топки α_Травен его значению в горелке α_ГОРи сохраняется неизменным по всему газовому тракту, так как все его газоходы в этом случае имеют небольшое избыточное давление и выполнены газоплотными; исключение составляет регенеративный воздухоподогреватель.

При работе котла под разрежением, создаваемым дымососами, происходит подсос в газовый тракт холодного воздуха из окружающей среды через неплотности ограждения, чаще всего в местах сопряжения отдельных элементов котла.

За счет присоса воздуха объем продуктов сгорания по газовому тракту постепенно увеличивается, снижается температура газов. Присосы определяются в долях от теоретически необходимого объема воздуха

4.34

где ΔV_i— объем присосанного воздуха в пределах i-ой поверхности парового котла.

Тогда избыток воздуха за i-ой по порядку поверхностью нагрева после топки определяется как

4.35

В топочной камере также имеют место присосы воздуха Δα_Т. С учетом этого избыток воздуха в зоне горения будет составлять

Объем уходящих газов, определяемый за последней поверхностью котла,

4. 37

состоит из объема продуктов полного сгорания топлива V⁰_Г, и объема избыточного воздуха ΔV_изб

4.38

где (α_Т— 1) — избыток воздуха в зоне горения.

Первое слагаемое в формуле (4.38) характеризует организованный избыток воздуха, необходимый для обеспечения достаточно полного сжигания топлива. Второе слагаемое — вредные присосы холодного воздуха.

Первоначально определение избытка воздуха в потоке газов осуществлялось косвенным способом — путем определения процентного содержания RO₂=CO₂+SO₂в сухих газах при известном для данного вида топлива максимально возможном RO₂^МАКС. Максимальное содержание сухих трехатомных газов в продуктах сгорания (при α = 1 и O₂= 0)

4. 39

где β_Т. — топливная характеристика, зависящая при сжигании в воздухе от состава топлива,

4.40

Для различных видов топлив RO₂^МАКСсоставляет: для твердых топлив RO₂^МАКС= 10-20%; для мазута RO₂^МАКС= 16-17%; для природного газа RO₂^МАКС= 11-13%.

Для определения избытка воздуха используется углекислотная формула

4.41

В составе газа RO₂определяется ручным газоанализатором либо хроматографом. Косвенным методом при сжигании твердых топлив нельзя пользоваться, когда топливо в своем составе имеет карбонаты, разлагающиеся в зоне горения с выделением СО₂(например, сланцы).

Расчет характеристики β_Тдля газового топлива, а также расчеты при совместном сжигании газа с мазутом или твердым топливом требуют пересчета объемных характеристик топлива на массовые. Так, масса 1 м³сухого газового топлива, кг/м³,

4.42

где ρ_Г— плотность сухого обеззоленного газового топлива, кг/м³; d_Г,а_Г— влагосодержание и содержание минеральной пыли в топливе, г/м³.

Пересчет состава газового топлива на элементный состав условного твердого топлива (в процентах) производится по специальным формулам и RO₂^МАКСпо (4.39) однозначно связано с топливной характеристикой β_Т. При любом незафиксированном изменении состава топлива это значение также меняется, что ведет к ошибке в определении α.

Кроме того, в реальных условиях в продуктах сгорания имеется избыточный кислород и возможен химический недожог топлива. Тогда значение RO₂^МАКСстановится переменным, и для его определения необходим полный химический анализ газов

4.43

При этом использование формулы (4.39), в которой RO₂^МАКСполучено только по составу топлива, ведет к дополнительной ошибке. Поэтому указанная углекислотная формула определения α по (4.41) является приближенной. В последнее время наиболее широко контроль избытка воздуха в газовом тракте котла обеспечивают с помощью кислородомера. При постоянном протоке через прибор небольшой доли дымовых газов из заданного места газового тракта из них выделяется кислород, обладающий специфическими магнитными свойствами. Прибор показывает количество O₂в процентах от объема осушенных газов.

Остаточный кислород в продуктах сгорания, в процентах от объема сухих газов, можно выразить следующим образом:

4. 44

С учетом ранее сказанного объем V_С.Г= αV⁰_В, тогда

4.45

и окончательно искомый избыток воздуха

4.46a

Если в дымовых газах содержатся продукты неполного сгорания (СО, Н₂), то нельзя весь оставшийся кислород считать избыточным, часть его должна быть израсходована на окисление этих продуктов. Тогда формула (4.46а) примет вид

4.46б

где СО, Н₂— процентное содержание в газах продуктов недожога. Их количество определяется методами газовой хроматографии.

Кислородная формула (4.46) точна, когда теоретические объемы воздуха и сухих газов одинаковы. Реально V⁰_С.Г> V⁰_Ви определение α будет иметь небольшую ошибку, но в допустимых пределах для технических измерений при эксплуатации.

Контроль избытка воздуха на котле обычно осуществляют в двух точках газового тракта — в поворотной камере (или за конвективным пароперегревателем высокого давления) и за воздухоподогревателем (в уходящих из котла газах). Разность этих показателей характеризует долю присосов холодного воздуха в поверхностях конвективной шахты, а значение O₂в поворотной камере показывает, выдерживаются ли условия оптимального избытка воздуха в топочной камере, поскольку присосы в горизонтальном газоходе стабильны и незначительны. Прямое определение избытка воздуха в топке технически затруднительно и неудовлетворительно по точности из-за высокой температуры газов и неустойчивой аэродинамики потока.

4.5. Расчет энтальпий продуктов сгорания

Расчет энтальпий продуктов сгорания необходим для определения тепловосприятия поверхностей нагрева и изменения теплосодержания газового потока. При теплотехнических расчетах принято удельную энтальпию продуктов сгорания определять для объема газов, получающегося при сгорании 1 кг или 1 м³топлива, и удельную энтальпию воздуха также относить к его объему, необходимому для сжигания 1 кг или 1 м³топлива. Обычно это значение энтальпии обозначается буквой Н и выражается в кДж/м³. Так как теплоемкости отдельных газов в составе продуктов сгорания различны, то энтальпии компонентов дымовых газов подсчитываются отдельно и затем суммируются. Так, энтальпия теоретического объема продуктов сгорания при температуре газов θ,° С, составляет

4.47

где c_RO2,c_N2,c_h3O— объемные теплоемкости отдельных компонентов дымовых газов, взятые при расчетной температуре газов θ, кДж/(м³К).

Энтальпия газового потока при избытке воздуха α > 1 определяется как

4. 48

Здесь H⁰_В— энтальпия теоретического объема воздуха,

4.49

где с_В— объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³· К). Последний член H_ЗЛ уравнения (4.48) учитывает энтальпию золовых частиц в потоке

4.50

где (сθ)_ЗЛ— энтальпия 1 кг золовых частиц при температуре газов, кДж/кг;а_УН— доля золы, уносимой газовым потоком, обычноа_УН= 0,90…0,95. Энтальпия золы учитывается только при сжигании высокозольных топлив, когда

Энтальпия H⁰_Гпри одинаковой температуре всегда выше, чем энтальпия H⁰_В, поскольку объем газов V⁰_Г> V⁰_В, а объемные теплоемкости трехатомных газов с_RO2, c_Н»Обольше теплоемкости воздуха с_В. При работе котла с уравновешенной тягой и наличии присосов по газовому тракту энтальпии Н_Гв каждой поверхности нагрева зависят от рабочей температуры газов и избытка воздуха. Присосы воздуха в поверхности нагрева изменяют объем и энтальпию газов на выходе из нее.

Теплота, отданная газовым потоком при прохождении поверхности нагрева, определяется по формуле

4.51

Здесь H’_Г— энтальпия газов на входе в поверхность, кДж/кг, определяется по (4.48) при α’ для предыдущей поверхности; H»_Г— то же на выходе из поверхности, определяется по α’ с учетом присоса воздуха в поверхности — α» = α’ + Δα_i;- энтальпия теоретического объема присосанного холодного воздуха, кДж/кг.

Если тепловосприятие поверхности нагрева определено по рабочей среде, то из уравнения (4.51) может быть найдена энтальпия газового потока до или за поверхностью. Температуру газов по известной их энтальпии можно установить, используя H, θ -таблицу продуктов сгорания топлива для опорных температур (через каждые 100°С) либо определить по формуле

4.52

где — относительная энтальпия газов, определенная по отношению к максимальному значению энтальпии при 2200 °С и при избытке воздуха, соответствующем его избытку в данном расчетном месте

4.53

Энтальпии H⁰_Ги H⁰_Вопределяются при θ = 2200°С.

Примеры

Примеры 1. Определить, насколько возрастает скорость горения коксовой частицы по уравнению С + O₂= СО₂при увеличении температуры горения с t₁= 1230°С до t₂= 1730°С при значении энергии активации Е =125 МДж/моль.

Решение

На основании формул (4.10) и (4.11) при постоянстве в зоне горения средней концентрации кислорода и принятия в первом приближении константы k₀= const отношение скоростей реакций составит

Универсальная газовая постоянная R = 8,3 кДж/(моль∙К), в результате

В то же время за счет увеличения температуры возрастают скорости движения молекул и частота соударений молекул. Поэтому при температуре T₂константа k₀увеличится в соотношении

В итоге общее увеличение скорости горения коксовой частицы составит

5. Топочные устройства для сжигания топлив

4.

1: Ископаемое топливо и продукты сгорания

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

47171

• Сарма В. Писупати
• Государственный университет Пенсильвании через John A. Dutton: 9 Институт электронного образования0010

Ископаемые топливные элементы

Ископаемые виды топлива представляют собой углеводороды, состоящие в основном из следующих элементов: углерод и водород, а также некоторое количество серы, азота, кислорода и минеральных веществ. Минеральное вещество при сжигании превращается в пепел.

Состав и количество этих элементов различаются для различных ископаемых видов топлива (уголь, нефть и природный газ), но элементы одни и те же, как показано на рис. 4.1.1. Например, в жидком топливе водорода больше, чем в угле на единицу массы.

Рисунок 4.1.1. Состав ископаемого топлива

Горение – это быстрое окисление элементов ископаемого топлива, приводящее к выделению тепла. Когда эти элементы окисляются (или соединяются с кислородом), образуются продукты сгорания.

Продукты сгорания

Часть топлива (углеводород) может не полностью сгореть при сгорании и поэтому выбрасывается в атмосферу вместе с продуктами. Продукты, образующиеся при сгорании ископаемого топлива, показаны на рис. 4.1.2.

Рисунок 4.1.2. Продукты, образующиеся при сгорании ископаемого топлива

Теперь рассмотрим шесть продуктов сгорания:

1. Углекислый газ
2. Угарный газ
3. Диоксид серы
4. Оксиды азота
5. Свинец
6. Твердые частицы

Углекислый газ (CO

₂ )

Углекислый газ является основным продуктом сжигания ископаемого топлива, поскольку углерод составляет 60–90 процентов от массы топлива, которое мы сжигаем.

Китай стал крупнейшим источником выбросов CO ₂ , связанных с энергетикой, достигнув в 2010 г. рекордно высокого уровня в 8320 миллионов метрических тонн углекислого газа. В 2010 году выбросы Соединенных Штатов составили около 5610 миллионов метрических тонн. Рисунок 4.1.3 показана динамика выбросов двуокиси углерода с 1980 г. Можно видеть, что выбросы в Азии и Океании, и особенно в Китае и Индии, значительно увеличились за последние два десятилетия.

Рисунок 4.1.3. График тенденций выбросов CO ₂

Каждый из конечных секторов (пользователей) и их вклад (%) в общие выбросы CO ₂ показан в таблице 4.1.1.

Таблица 4.1.1. Выбросы CO, связанные с энергетикой ₂ Выбросы (млн метрических тонн) по источникам и секторам для США в 2011 г.

Источники	Жилой	Коммерческий	Промышленный	Транспорт	Электроэнергия	Источник Всего
Уголь	1	5	151	0	1 718	1 874
Природный газ	256	171	419	39	411	1 296
Нефть	78	49	345	1 802	25	2 299
Прочее					11	11
Электричество	827	767	567	4
Всего по сектору	1 162	992	1 482	1 845	2 166	5 481

Предоставлено: Управление энергетической информации США

Дополнительная информация

В 2010 г. 41,9% выбросов от ископаемого топлива в США приходилось на потребление нефтепродуктов, а на использование угля приходилось 35,4% выбросов CO в США от ископаемого топлива. ₂ выбросов. Около 22,5% выбросов CO ₂ были результатом использования природного газа.

Окись углерода (CO)

Окись углерода, или CO, представляет собой бесцветный газ без запаха, который образуется, когда углерод в топливе не сгорает полностью. На рис. 4.1.4 показан вклад различных источников в выбросы CO.

Рисунок 4.1.4. Источники выбросов CO

Угарный газ является компонентом выхлопных газов автомобилей, на долю которого приходится около 55 процентов всех выбросов CO в стране. Другие внедорожные двигатели и транспортные средства (например, строительная техника и лодки) составляют около 22 процентов всех выбросов CO в стране. Более высокие уровни CO обычно возникают в районах с интенсивным движением транспорта. В городах от 85 до 95 процентов всех выбросов CO2 может быть связано с выхлопными газами автомобилей.

Другие источники выбросов CO включают промышленные процессы (такие как обработка металлов и химическое производство), сжигание древесины в жилых помещениях, а также естественные источники, такие как лесные пожары. Дровяные печи, газовые плиты, сигаретный дым и невентилируемые газовые и керосиновые обогреватели являются источниками CO в помещении.

Самые высокие уровни содержания CO в наружном воздухе обычно наблюдаются в более холодные месяцы года, когда более часты условия инверсии. Инверсия — это атмосферное состояние, которое возникает, когда загрязнители воздуха задерживаются у земли под слоем теплого воздуха.

Двуокись серы (SO

₂ )

Двуокись серы, или SO ₂ , принадлежит к семейству оксидов серы (SO _x ). Эти газы легко растворяются в воде. Сера присутствует во всех сырьевых материалах, включая сырую нефть, уголь и руды, содержащие обычные металлы, такие как алюминий, медь, цинк, свинец и железо.

SO _x Газы образуются при сжигании топлива, содержащего серу, такого как уголь и нефть, а также при извлечении бензина из нефти или извлечении металлов из руды. Распределение выбросов показано на рис. 4.1.5. ТАК ₂ растворяется в водяном паре с образованием кислоты и взаимодействует с другими газами и частицами в воздухе с образованием сульфатов и других продуктов, которые могут быть вредными для людей и окружающей среды.

Рисунок 4.1.5. Источники выбросов SO ₂

Оксиды азота (NO

_x )

Оксиды азота, или NO _x , — это общий термин для группы высокореактивных газов, каждый из которых содержит азот и кислород в различных количествах. . Многие оксиды азота бесцветны и не имеют запаха.

Оксиды азота образуются при сжигании топлива при высоких температурах, например, в процессе горения. Основными источниками NO _x являются автомобили, электрические коммунальные предприятия и другие промышленные, коммерческие и бытовые источники, которые сжигают топливо, как показано на рисунке 4.1.6.

Рисунок 4.1.6. Источники выбросов NO _x

Хотя многие из оксидов азота бесцветны и не имеют запаха, один распространенный загрязнитель, диоксид азота (NO ₂ ) вместе с частицами в воздухе часто можно увидеть в виде красновато-коричневого слоя над многими городские районы, как показано на рисунке 4. 1.7.

Рисунок 4.1.7. Смог над Лос-Анджелесом

Свинец (Pb)

Основными источниками выбросов свинца исторически были автомобили (например, легковые и грузовые автомобили) и промышленные источники.

Из-за поэтапного отказа от этилированного бензина обработка металлов сегодня является основным источником выбросов свинца в атмосферу. Самые высокие уровни свинца в воздухе обычно обнаруживаются вблизи свинцовых плавильных заводов (устройств, перерабатывающих свинцовые руды). Другими стационарными источниками являются мусоросжигательные заводы, коммунальные предприятия и производители свинцово-кислотных аккумуляторов. На рис. 4.1.8 показаны многочисленные ящики со свинцом.

Рисунок 4.1.8. Свинец — это металл, встречающийся в природе в окружающей среде, а также в промышленных продуктах

Забавный факт

Свинец используется в производстве многих предметов, включая стекло, резину, краску, батареи, инсектициды, сантехнику и защитные экраны для рентгеновских лучей. .

Твердые частицы (ТЧ)

Твердые частицы (ТЧ) — это общий термин, используемый для описания смеси твердых частиц и жидких капель, находящихся в воздухе. Некоторые частицы достаточно велики, чтобы их можно было рассматривать как пыль или грязь. Другие настолько малы, что их можно обнаружить только с помощью электронного микроскопа.

Различные размеры частиц включают:

• PM 2.5 описывает «мелкие» частицы, диаметр которых меньше или равен 2,5 мкм (микрометр).
• «Крупная фракция» частицы размером более 2,5 мкм, но менее или равные 10 мкм в диаметре.
• PM 10 относится ко всем частицам диаметром менее или равным 10 мкм (примерно одна седьмая диаметра человеческого волоса). ТЧ могут выбрасываться напрямую или образовываться в атмосфере.

Различные источники частиц включают:

• » Первичные » частицы образуются из источников горения и выбрасываются непосредственно в атмосферу. Примерами первичных частиц являются пыль с дорог или черный углерод (сажа).
• » Вторичные » частицы образуются в атмосфере из первичных газообразных выбросов. Примерами вторичных частиц являются сульфаты, образующиеся в результате выбросов SO ₂ электростанций и промышленных предприятий; нитраты, образующиеся в результате выбросов NO _x электростанций, автомобилей и других источников горения; и углерод, образующийся в результате выбросов органических газов автомобилями и промышленными предприятиями.

Дополнительная информация

Химический состав ТЧ зависит от местоположения, времени года и погоды. Как правило, первичные частицы составляют крупные ТЧ, а вторичные частицы составляют большую часть мелкодисперсных ТЧ.

Воздействие первичных загрязнителей на здоровье и окружающую среду

Загрязнители, которые выбрасываются непосредственно в результате процесса сгорания или продукты сгорания, называются «первичными загрязнителями». Мы только что описали эти продукты ранее в уроке, теперь мы рассмотрим их влияние на окружающую среду и здоровье человека.

Углекислый газ (CO

₂ )

Углекислый газ (CO ₂ ) не является загрязнителем, который может нанести вред нашему здоровью, но доказано, что он является парниковым газом. Он обладает способностью поглощать инфракрасное излучение, которое уходит с поверхности земли, вызывая нагревание атмосферы. Считается, что чрезмерный выброс CO ₂ вместе с другими парниковыми газами способствует нежелательному изменению климата.

Угарный газ (CO)

Как мы узнали ранее, угарный газ, или CO, представляет собой бесцветный газ без запаха и вкуса, который образуется, когда углерод в топливе не сгорает полностью.

При гораздо более высоких уровнях воздействия, обычно не встречающихся в атмосферном воздухе, CO может быть ядовитым, и даже здоровые люди могут быть затронуты. Воздействие повышенных уровней CO может привести к:

• Ухудшению зрения
• Снижение работоспособности
• Снижение ловкости рук
• Плохая способность к обучению
• Трудности при выполнении сложных задач

Опасность для здоровья от уровня CO, иногда обнаруживаемого в окружающем воздухе, наиболее серьезна для тех, кто страдает от сердечно-сосудистых заболеваний, таких как стенокардия.

Дополнительная информация

В организме человека гемоглобин (соединение железа) в крови переносит кислород (O ₂ ) от легких к различным тканям и транспортирует обратно углекислый газ (CO ₂ ) в легкие. Гемоглобин имеет в 240 раз большее сродство к CO, чем к O ₂ . Следовательно, когда гемоглобин реагирует с CO, он уменьшает количество гемоглобина, доступного для транспорта O ₂ . Это, в свою очередь, снижает поступление кислорода к органам и тканям организма.

Двуокись серы (SO

₂ )

Высокие концентрации SO ₂ могут вызвать следующие проблемы со здоровьем:

• Кратковременное воздействие
  • Взрослые и дети с астмой, которые активно проводят время на открытом воздухе, могут испытывать временное нарушение дыхания.
  • Люди с астмой могут испытывать трудности с дыханием при умеренной активности и могут проявлять такие симптомы, как свистящее дыхание, стеснение в груди или одышка.
• Длительное воздействие
  • Обострение существующего сердечно-сосудистого заболевания
  • Респираторные заболевания
  • Изменения в защите легких
• Подгруппы населения, которые могут пострадать в этих условиях, включают лиц с заболеваниями сердца или легких, а также пожилых людей и детей.

В следующем видео показано, как организм реагирует на разные типы воздуха.

Вместе SO ₂ и NO _x (обсуждается в следующем разделе) являются основными предшественниками кислотных отложений (кислотных дождей), которые связаны с подкислением почв, озер и ручьев и ускорением коррозии. зданий и памятников. Подробнее об этом мы поговорим в следующем разделе. SO ₂ также является основным предшественником PM 2.5, который представляет серьезную проблему для здоровья и является основной причиной плохой видимости.

Оксиды азота (NO

_x )

Оксид азота (NO) и диоксид азота (NO ₂ ) вместе представлены NO _x . Большая часть выбросов от устройств сжигания (приблизительно 90%) находится в форме NO.

NO _x реагируют в воздухе с образованием приземного озона и мелких частиц, которые связаны с неблагоприятными последствиями для здоровья.

• Кратковременное воздействие (например, менее 3 часов) низких концентраций NO ₂ может привести к изменению реактивности дыхательных путей и функции легких у лиц с ранее существовавшими респираторными заболеваниями. Эти воздействия могут также увеличить заболеваемость респираторными заболеваниями у детей.
• Длительное воздействие NO ₂ может привести к повышенной восприимчивости к респираторным инфекциям и вызвать необратимые изменения в структуре легких.

NO _x способствует широкому спектру воздействия на окружающую среду непосредственно и в сочетании с другими прекурсорами кислотных дождей и озона.

• Увеличение поступления азота в наземные и водно-болотные системы может привести к изменениям видового состава и разнообразия растений.
• Прямое поступление азота в водные экосистемы, например, в эстуарных и прибрежных водах (например, в Чесапикском заливе), может привести к эвтрофикации (состоянию, которое способствует чрезмерному росту водорослей, что может привести к серьезному истощению растворенного кислорода и повышению уровня токсинов). вредно для водных организмов).
• Азот сам по себе или в составе кислотных дождей также может подкислять почвы и поверхностные воды.

Дополнительная информация

Подкисление почв вызывает потерю основных питательных веществ для растений и повышение уровня растворимого алюминия, который токсичен для растений. Подкисление поверхностных вод создает условия низкого pH и уровня алюминия, токсичные для рыб и других водных организмов. NOx также способствует ухудшению видимости.

Твердые частицы (ТЧ)

Частицы, меньшие или равные 10 мкм (микрометра или миллионной доли метра) в диаметре, могут попасть в легкие и вызвать многочисленные проблемы со здоровьем. Вдыхание этих крошечных частиц было связано с болезнями и смертью от болезней сердца и легких. С длительным (например, многолетним) воздействием этих частиц связаны различные проблемы со здоровьем. Кратковременное ежедневное и потенциально даже более короткое пиковое (например, 1 час) воздействие этих частиц также может быть связано с проблемами со здоровьем.

Частицы могут усугубить респираторные заболевания, такие как астма и бронхит, и связаны с сердечными аритмиями (нарушениями сердечного ритма) и сердечными приступами. Люди с заболеваниями сердца или легких, пожилые люди и дети подвергаются наибольшему риску воздействия частиц.

Частицы, вызывающие озабоченность, могут включать в себя как мелкие, так и крупные частицы, хотя более четко установлено, что мелкие частицы вызывают наиболее серьезные последствия для здоровья.

• Частицы размером более 2 микрометров (мкм) не проникают за пределы полости носа или трахеи.
• Частицы размером менее 0,1 мкм, как правило, оседают в трахеобронхиальном дереве и удаляются при выдохе.
• Частицы размером от 0,1 до 2,0 мкм проникают глубоко в легкие и оседают в респираторных бронхиолах или альвеолярных мешочках.

Дополнительная информация

Помимо проблем со здоровьем, PM являются основной причиной снижения видимости во многих частях Соединенных Штатов, рассеивая и поглощая часть света, излучаемого или отражаемого телом, что снижает контрастность. Взвешенные в воздухе частицы также могут воздействовать на растительность и экосистемы, а также наносить ущерб краскам и строительным материалам.

В следующем видео показано, как организм реагирует на разные размеры ПМ.

Свинец (Pb)

Воздействие свинца происходит главным образом при вдыхании воздуха и проглатывании свинца с пищей, водой, почвой или пылью. Он накапливается в крови, костях и мягких тканях и может негативно влиять на почки, печень, нервную систему и другие органы.

• Чрезмерное воздействие свинца может вызвать неврологические нарушения, такие как судороги, умственная отсталость и поведенческие расстройства.
• Даже при низких дозах воздействие свинца связано с повреждением нервной системы плода и детей младшего возраста, что приводит к нарушениям обучаемости и снижению IQ.
• Недавние исследования показали, что свинец может быть фактором высокого кровяного давления и последующих сердечных заболеваний.
• Свинец также может откладываться на листьях растений, представляя опасность для пасущихся животных и людей при проглатывании.

В следующем видео показано влияние использования неэтилированного бензина вместо этилированного.

Вторичные загрязнители

Загрязнители, которые выбрасываются непосредственно в процессе сгорания, называются «первичными загрязнителями». При выбросе в атмосферу эти первичные загрязнители объединяются с другими реагентами и образуют «вторичные» загрязнители.

Примером вторичного загрязнителя может быть озон. Когда углеводороды выделяются и реагируют с NO _x в присутствии солнечного света, они образуют озон. Воздействие вторичных загрязнителей на здоровье и окружающую среду обсуждается в следующем разделе.

Забавный факт

Озон — это форма кислорода, а также ядовитый газ. Однако в земной атмосфере озон действует как защитный экран от ультрафиолетового излучения в космосе.

---

Эта страница под заголовком 4.1: Ископаемые виды топлива и продукты сгорания распространяется по лицензии CC BY-NC-SA 4.0, ее автор, ремикширование и/или куратор Сарма В. Писупати (Джон А. Даттон: Институт электронного образования ) через исходный контент, отредактированный в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Сарма В. Писупати

   Лицензия

   CC BY-NC-SA

   Версия лицензии

   4,0

2. Теги

   1. источник@https://open.ems.psu.edu/node/1321

Каким образом один галлон производит 19 фунтов углекислого газа?

com/_components/slate-paragraph/instances/cq-article-c7d9914eb40cd2d49d91613ba8c65b45-component-0@published»> Загрузите аудиоверсию этой истории в формате MP3 здесь или подпишитесь на бесплатный ежедневный подкаст Объяснителя на iTunes .

На прошлой неделе компания Slate опубликовала первую часть «Зеленого вызова», программы, которая помогает участникам уменьшить количество углекислого газа, выбрасываемого ими в атмосферу. Мы начали с того, что попросили людей подумать о влиянии их автомобилей на окружающую среду: «Каждый галлон бензина, сожженного вашим автомобилем, выбрасывает около 19 фунтов углекислого газа». Читатели объяснения задавались вопросом об этой статистике: если галлон бензина весит около 6 фунтов, как он может производить в три раза больше парниковых газов?

com/_components/slate-paragraph/instances/cq-article-c7d9914eb40cd2d49d91613ba8c65b45-component-2@published»> Углерод из бензина смешивается с кислородом воздуха. Бензин состоит в основном из углеводородов — углеродных цепочек, окруженных атомами водорода. Когда углеводороды горят, они распадаются и воссоединяются с воздухом. Эта реакция производит тепло, а также два химических побочных продукта: воду и углекислый газ.

Например, рассмотрим одну молекулу октана — типичного углеводорода, который содержится в бензине. Октан состоит из восьми атомов углерода и 18 атомов водорода, записывается как C ₈ Н ₁₈ . Если вы расщепите октан и смешаете его с достаточным количеством кислорода (O ₂ ), у вас будут ингредиенты — то есть атомы углерода, водорода и кислорода — для получения восьми молекул двуокиси углерода (CO ₂ ). ) и девять молекул воды (H ₂ O). Восемь молекул CO ₂ весят примерно в три раза больше, чем одна молекула октана, с которой вы начали. Это не значит, что вы нарушили закон сохранения массы; вместо этого вы добавили вес кислорода из воздуха к весу углерода из бензина. (Для более подробного обсуждения этой реакции щелкните здесь.)

Эта реакция дает лишь общее представление о том, что происходит, когда вы сжигаете галлон газа. Во-первых, сгорание в автомобильном двигателе происходит не идеально, а это значит, что не каждый углеводород превращается в углекислый газ и водяной пар. Иногда кислорода недостаточно для завершения реакции, и в этом случае углеводороды могут превратиться в ядовитый монооксид углерода (СО). При сжигании бензина также может выделяться закись азота и другие газы.

com/_components/slate-paragraph/instances/cq-article-c7d9914eb40cd2d49d91613ba8c65b45-component-5@published»> Во-вторых, бензин состоит из октана наряду со многими другими видами углеводородов. Вы также найдете добавки, такие как поверхностно-активные вещества, депрессанты точки замерзания, ингибиторы коррозии и красители. Эти неуглеводородные добавки могут составлять полпроцента от общего состава бензина. Существуют также различия между зимними и летними смесями, низкооктановыми и высокооктановыми, этилированными и неэтилированными.

Таким образом, любая оценка количества углекислого газа, выделяемого из галлона газа, должна основываться на некоторых предположениях. Агентство по охране окружающей среды начинает с предположения о том, сколько граммов углерода содержится в каждом галлоне газа. Сначала они определяют, сколько углерода содержится в каждом конкретном виде бензина, а затем получают средневзвешенное значение, основанное на уровнях потребления для каждого сорта.